IT201600079657A1 - DEVICE AND MEASUREMENT SYSTEM - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO E SISTEMA DI MISURA DEVICE AND MEASURING SYSTEM
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Campo tecnico dell’invenzione Technical field of the invention
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo per la misurazione indiretta di un parametro fisico/chimico di un ambiente di lavoro, calcolato sulla base di una caratterizzazione a distanza dello stato elettromagnetico di un transponder localizzato in tale ambiente, influenzato in maniera nota e misurabile da detto parametro fisico/chimico. The present invention refers to a device for the indirect measurement of a physical / chemical parameter of a work environment, calculated on the basis of a remote characterization of the electromagnetic state of a transponder located in that environment, influenced in a known and measurable way by said physical / chemical parameter.
Background Background
I transponder sono dispositivi trasmettitori-risponditori (tag) che consistono generalmente di un chip elettronico atto alla memorizzazione di dati connesso elettricamente a una antenna. Tali dispositivi si basano generalmente su una tecnologia RFID. Per accedere in lettura o scrittura ai dati memorizzati nel transponder, si impiegano dispositivi definiti comunemente “lettori” o reader. Transponders are transmitter-responder devices (tags) which generally consist of an electronic chip suitable for storing data electrically connected to an antenna. Such devices generally rely on RFID technology. To read or write access to the data stored in the transponder, devices commonly defined as "readers" or readers are used.
I reader di tipo convenzionale sono progettati per acquisire informazioni di natura “logica” dal tag (ovvero il contenuto della memoria non volatile del chip) ma non forniscono indicazioni sul comportamento dello “strato fisico”, cioè sul suo status elettromagnetico. Conventional readers are designed to acquire information of a "logical" nature from the tag (ie the content of the non-volatile memory of the chip) but do not provide information on the behavior of the "physical layer", ie on its electromagnetic status.
In particolare, esistono transponder definiti “attivi”, che dispongono di una propria fonte di alimentazione (es. batterie), e transponder “passivi”, che non possiedono una propria fonte di alimentazione elettrica. Tale sorgente di energia è necessaria qualora si voglia che l'elettronica del transponder continui a funzionare anche quando esso non si trovi in accoppiamento col reader (ad esempio se si richiede che esso operi come un datalogger). I transponder passivi sono alimentati, e dunque attivati, dal campo magnetico irradiato da rispettivi dispositivi lettori. Quando un transponder passivo è fuori dalla zona di copertura del campo elettromagnetico emesso dal lettore, esso è elettricamente spento, da cui la definizione “passivo”. In particular, there are transponders defined as "active", which have their own power source (eg batteries), and "passive" transponders, which do not have their own power source. This energy source is necessary if you want the transponder electronics to continue to function even when it is not coupled to the reader (for example if it is required that it operate as a data logger). The passive transponders are powered, and therefore activated, by the magnetic field radiated by the respective reader devices. When a passive transponder is outside the coverage area of the electromagnetic field emitted by the reader, it is electrically off, hence the definition "passive".
Nei sistemi RFID comunemente impiegati, l'informazione scambiata tra reader e transponder dipende dal contenuto della memoria del chip presente sul tag e dalle operazioni logiche che il lettore ad esso richiede. In alcuni contesti è tuttavia richiesto o auspicabile che l'informazione acquisita dal reader dipenda da uno o più parametri ambientali rilevabili dal tag. In commonly used RFID systems, the information exchanged between the reader and the transponder depends on the content of the memory of the chip present on the tag and on the logical operations that the reader requests from it. In some contexts, however, it is required or desirable that the information acquired by the reader depends on one or more environmental parameters detectable by the tag.
In questo caso, a seconda della destinazione d’uso, è possibile che i transponder integrino sensori per la rilevazione di parametri ambientali. I tag con sensori a bordo devono essere in grado di interfacciarsi con l’esterno al fine di rilevare i parametri relativi all’ambiente in cui essi sono immersi. In this case, depending on the intended use, it is possible that the transponders integrate sensors for the detection of environmental parameters. The tags with sensors on board must be able to interface with the outside in order to detect the parameters relating to the environment in which they are immersed.
In particolare, la rilevazione delle grandezze connesse al clima (pressione, temperatura, umidità), di quelle collegate alla presenza di gas o altri contaminanti chimici e al contatto con specifici agenti biologici riveste un ruolo cruciale nel determinare la pervasiva diffusione dei sistemi RFID sia in contesti civili sia industriali. In particular, the detection of the variables connected to the climate (pressure, temperature, humidity), of those connected to the presence of gas or other chemical contaminants and to contact with specific biological agents plays a crucial role in determining the pervasive diffusion of RFID systems both in civil and industrial contexts.
Casi applicativi possono essere previsti, tra l’altro, nel monitoraggio e controllo del funzionamento di apparati industriali e/o di ambienti “ostili”, ove gli spazi sono angusti e le condizioni ambientali sfavorevoli dal punto di vista sia chimico (presenza di contaminanti, agenti chimici, biologici) sia fisico (particolari condizioni di illuminamento, umidità, ecc.). Application cases can be envisaged, among other things, in the monitoring and control of the operation of industrial equipment and / or "hostile" environments, where spaces are narrow and the environmental conditions are unfavorable from a chemical point of view (presence of contaminants, chemical, biological agents) and physical (particular lighting conditions, humidity, etc.).
Inoltre, grazie ai costi molto contenuti e alla facilità di implementazione, i transponder si sono sempre più integrati in prodotti impiegati nella vita di tutti i giorni, anche per quanto riguarda prodotti usa e getta e imballaggi. Ad esempio, sono assai diffuse applicazioni nei settori del controllo di accesso, della logistica, in particolare per trasporto di bagagli, passeggeri, merci e sarebbe auspicabile che attraverso l’applicazione di opportuni sensori applicazioni correlate al monitoraggio di derrate alimentari potessero implementare il controllo sullo stato di conservazione dei prodotti, che appunto è inferibile una volta rilevati i parametri ambientali. Furthermore, thanks to the very low costs and ease of implementation, transponders have increasingly integrated into products used in everyday life, including with regard to disposable products and packaging. For example, applications are widespread in the sectors of access control, logistics, in particular for the transport of baggage, passengers, goods and it would be desirable that, through the application of appropriate sensors, applications related to the monitoring of foodstuffs could implement control on the state of conservation of the products, which can be inferred once the environmental parameters have been detected.
Gli approcci più consueti adottati nella realizzazione di tag sensibili prevedono la presenza a bordo del transponder, oltre che del sensore per il rilievo dei parametri ambientali, anche di un chip o di un microcontrollore specificamente realizzato per l'acquisizione, l’elaborazione e la memorizzazione dei dati raccolti dal sensore. In questi casi, le grandezze fisiche di interesse vengono trasdotte in segnali elettrici che sono poi digitalizzati e memorizzati nel chip del transponder finché non si effettua un’operazione di lettura dall’esterno. The most usual approaches adopted in the realization of sensitive tags provide for the presence on board of the transponder, as well as the sensor for the measurement of environmental parameters, also of a chip or a microcontroller specifically designed for acquisition, processing and storage of the data collected by the sensor. In these cases, the physical quantities of interest are transduced into electrical signals which are then digitized and stored in the transponder chip until a reading operation is performed from the outside.
Generalmente, nel caso dei transponder attivi, l’energia per acquisire i dati dai sensori è fornita da una sorgente di energia duratura. Nel caso di tag passivi o semi-passivi, l’energia necessaria a far funzionare il tag persiste per un tempo molto limitato. In particolare, i tag passivi estraggono l’alimentazione elettrica dalla portante del segnale trasmesso da un dispositivo lettore (reader) finché sono accoppiati con esso. Generally, in the case of active transponders, the energy to acquire the data from the sensors is provided by a durable energy source. In the case of passive or semi-passive tags, the energy required to operate the tag persists for a very limited time. In particular, passive tags extract the power supply from the carrier of the signal transmitted by a reader device until they are coupled with it.
E’ altresì evidente che implementare la possibilità di acquisire il dato sensoriale a bordo del tag comporta l’utilizzo di chip più sofisticati, costosi ed energivori rispetto a quelli dedicati alle comuni PICC (proximity integrated Circuit cards). It is also clear that implementing the possibility of acquiring the sensory data on board the tag involves the use of more sophisticated, expensive and energy-intensive chips than those dedicated to common PICCs (proximity integrated circuit cards).
Un approccio opposto consiste invece nello spostare al reader l'intelligenza necessaria a rilevare, digitalizzare, elaborare e memorizzare il dato acquisito dal sensore a bordo del tag. I vantaggi relativi a tal soluzione sono molteplici: On the other hand, an opposite approach consists in moving to the reader the intelligence necessary to detect, digitize, process and store the data acquired by the sensor on the tag. The advantages related to this solution are many:
- non dover ricorrere a tag attivi - eliminando la necessità di batterie a bordo per alimentare il sensore; - not having to resort to active tags - eliminating the need for on-board batteries to power the sensor;
- non accrescere il costo dei tag - poiché non occorrono chip specificamente progettati per tag sensibili; e - do not increase the cost of tags - as there is no need for chips specifically designed for sensitive tags; And
- gestire la complessità delle operazioni sui dati acquisiti sul lato reader, ove si può contare su una maggiore disponibilità di memoria di archiviazione e di risorse di calcolo. - manage the complexity of operations on the data acquired on the reader side, where you can count on a greater availability of storage memory and computing resources.
In questo secondo caso, l’effetto del sensore sul sistema tag-reader consiste nel modulare il segnale elettrico scambiato tra il transponder e il reader in modo da non inficiarne la comunicazione, almeno secondo le modalità previste dagli standard più comunemente adottati, ma introducendo nel segnale informazioni relative alla grandezza trasdotta. In this second case, the effect of the sensor on the tag-reader system consists in modulating the electrical signal exchanged between the transponder and the reader so as not to affect communication, at least according to the methods provided for by the most commonly adopted standards, but introducing in the signal information relating to the transduced quantity.
Lo svantaggio di questo approccio (rispetto all’adozione di un tag attivo) è però quello di poter acquisire la grandezza rilevata dal sensore unicamente quando il transponder è in accoppiamento col reader. Se il sensore ha un comportamento “istantaneo” (ossia senza memoria) ciò implica che unicamente lo stato attuale dell’ambiente di lavoro può essere acquisito. Se invece il sensore presenta un effetto memoria, la risposta elettromagnetica acquisita al reader risulterà dalla sequenza degli stati passati attraverso i quali l’ambiente di lavoro ha evoluto. The disadvantage of this approach (compared to the adoption of an active tag), however, is that of being able to acquire the magnitude detected by the sensor only when the transponder is coupled with the reader. If the sensor has an "instant" behavior (ie without memory) this implies that only the current state of the work environment can be acquired. If, on the other hand, the sensor has a memory effect, the electromagnetic response acquired by the reader will result from the sequence of past states through which the work environment has evolved.
Allo stato dell’arte, per quanto riguarda l'approccio con analisi del segnale al reader, è riscontrabile la presenza di numerose applicazioni di sistemi RFID, in genere caratterizzati da elevata complessità. At the state of the art, as regards the approach with signal analysis to the reader, the presence of numerous applications of RFID systems, generally characterized by high complexity, can be found.
Ad esempio, il documento US20120182147A1 descrive un tag UHF, la cui variazione di comportamento fisico è ottenuta deponendo un elemento sensibile su un'area precisa del loop o dell'antenna. È ulteriormente descritto un reader molto complesso, che utilizza contemporaneamente la demodulazione ASK e quella di fase. For example, the document US20120182147A1 describes a UHF tag, whose physical behavior variation is obtained by placing a sensitive element on a precise area of the loop or antenna. A very complex reader is further described, which uses ASK and phase demodulation at the same time.
Per quanto riguarda lo sviluppo di apparati idonei alla caratterizzazione dei sensori per gas e vapori, nel corso almeno degli ultimi 20 anni sono stati sviluppati sistemi dalla notevole complessità realizzativa e ingombro. As regards the development of equipment suitable for the characterization of sensors for gases and vapors, in the course of at least the last 20 years systems with considerable construction complexity and dimensions have been developed.
Essi presentano costi considerevoli non solo per la necessità di essere installati in laboratori forniti di complesse e costose utenze (linee gas puri, bombole ad alta pressione, eco.) They have considerable costs not only due to the need to be installed in laboratories equipped with complex and expensive utilities (pure gas lines, high pressure cylinders, etc.)
ma anche perché, se come nel nostro caso il metodo di rilevazione si basa sull’analisi dello spettro dell’ammettenza elettrica del transponder, la parte elettrica dell’apparato deve essere a sua volta un sistema di caratterizzazione da laboratorio poiché deve poter rilevare con precisione la presenza di picchi di risonanza e le relative variazioni nello spettro RF interessato dalla trasmissione. Detta strumentazione è tuttavia per sua natura costosa, ingombrante e delicata, quindi poco adatta ad essere trasportata o messa in funzione in ambienti reali (linea di produzione, scatola a guanti in ambiente di laboratorio chimico, eco.). but also because, if, as in our case, the detection method is based on the analysis of the electrical admittance spectrum of the transponder, the electrical part of the apparatus must in turn be a laboratory characterization system since it must be able to accurately detect the presence of resonance peaks and the relative variations in the RF spectrum affected by the transmission. However, this instrumentation is by its nature expensive, bulky and delicate, therefore not suitable for being transported or put into operation in real environments (production line, glove box in a chemical laboratory environment, etc.).
Sommario dell’invenzione Summary of the invention
II problema tecnico posto e risolto dalla presente invenzione è pertanto quello di fornire un dispositivo di misura o meglio di acquisizione del dato sensoriale (per semplicità indicato anche come lettore o reader), associabile a transponder preferibilmente passivi, che consenta di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota. The technical problem posed and solved by the present invention is therefore that of providing a device for measuring or rather acquiring the sensory data (for simplicity also referred to as a reader or reader), which can be associated with preferably passive transponders, which allows to overcome the aforementioned drawbacks. with reference to the known art.
Tale problema viene risolto da un dispositivo secondo la rivendicazione 1. This problem is solved by a device according to claim 1.
Sono altresì presenti una rivendicazione di sistema 11 e una rivendicazione di metodo 19. There is also a system claim 11 and a method claim 19.
Caratteristiche preferite della presente invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti. Preferred features of the present invention are the subject of the dependent claims.
L’invenzione fornisce un dispositivo di misura per la rilevazione a distanza di un parametro chimico/fisico di un ambiente di lavoro. The invention provides a measurement device for the remote detection of a chemical / physical parameter of a work environment.
La rilevazione a distanza è realizzata mediante la caratterizzazione dello stato della parte RF del circuito elettrico risonante di un transponder localizzato nell’ambiente di lavoro considerato, in particolare mediante il confronto di tale stato (che si riflette sullo spettro di impedenza registrato al reader) con uno stato elettromagnetico di riferimento noto. The remote detection is achieved by characterizing the state of the RF part of the resonant electrical circuit of a transponder located in the considered work environment, in particular by comparing this state (which is reflected on the impedance spectrum recorded at the reader) with a known electromagnetic reference state.
A tale scopo, il transponder è configurato in maniera da presentare un parametro magnetico/elettrico (tipicamente la capacità elettrica equivalente del circuito) variabile in funzione del parametro chimico/fisico da misurare secondo una legge nota rispetto ad una condizione di riferimento. For this purpose, the transponder is configured in such a way as to present a magnetic / electrical parameter (typically the equivalent electrical capacity of the circuit) which varies according to the chemical / physical parameter to be measured according to a known law with respect to a reference condition.
Il dispositivo di misura secondo la presente invenzione sostanzialmente comprende un’unità di controllo ed elaborazione di dati, un’unità di generazione di un segnale elettrico, un’unità di ricezione di un segnale elettrico di ritorno e mezzi di accoppiamento elettromagnetico con un transponder. The measurement device according to the present invention substantially comprises a control and data processing unit, a unit for generating an electrical signal, a unit for receiving an electrical return signal and electromagnetic coupling means with a transponder.
Tali mezzi di accoppiamento elettromagnetico con il transponder sono realizzati mediante un’antenna di trasmissione connessa all’unità di generazione del segnale elettrico, e un’antenna di ricezione configurata per concatenare il campo magnetico riflesso dal transponder. These electromagnetic coupling means with the transponder are made by means of a transmission antenna connected to the electrical signal generation unit, and a reception antenna configured to link the magnetic field reflected by the transponder.
L’antenna di trasmissione è configurata per la produzione di un campo magnetico in prossimità del transponder a partire dal segnale elettrico prodotto dall’unità di generazione. Detto campo magnetico, nel caso di trasponder di tipo passivo, provvede anche all’alimentazione del trasponder stesso. The transmission antenna is configured for the production of a magnetic field in the vicinity of the transponder starting from the electrical signal produced by the generating unit. Said magnetic field, in the case of passive transponders, also powers the transponder itself.
L’antenna di ricezione è connessa all’unità di ricezione in modo tale da fornire a quest’ultima un segnale elettrico di ritorno correlato al campo magnetico riflesso dal trasponder. The receiving antenna is connected to the receiving unit in such a way as to provide the latter with an electrical return signal related to the magnetic field reflected by the transponder.
Il campo magnetico riflesso dal trasponder, e dunque il segnale elettrico di ritorno ad esso associato, sono influenzati dalle variazioni del parametro elettrico/magnetico (o dei parametri elettrici/magnetici) del transponder sensibili al/i misurando/i di interesse. Il misurando è il parametro chimico/fisico da misurare. The magnetic field reflected by the transponder, and therefore the electrical return signal associated with it, are influenced by variations in the electrical / magnetic parameter (or electrical / magnetic parameters) of the transponder sensitive to the measurand (s) of interest. The measurand is the chemical / physical parameter to be measured.
L’unità di ricezione è progettata per estrarre dal segnale elettrico di ritorno un segnale elettrico contenente i parametri di interesse che sia idoneo ad essere acquisito e elaborato dall’unità di controllo. L’unità di controllo è a sua volta programmata per elaborare il segnale elettrico di ritorno, memorizzarlo e presentarlo opportunamente ad un sistema di elaborazione idoneo a calcolare il valore del parametro chimico/fisico dell’ambiente di lavoro. The receiving unit is designed to extract from the return electrical signal an electrical signal containing the parameters of interest that is suitable to be acquired and processed by the control unit. The control unit is in turn programmed to process the electrical return signal, store it and present it appropriately to a processing system suitable for calculating the value of the chemical / physical parameter of the working environment.
In altre parole, il dispositivo dell’invenzione consente l'acquisizione remota della firma a radiofrequenza di un transponder RFID, preferibilmente di tipo passivo e anche di transponder sensibili. In dettaglio, il metodo implementato da tale dispositivo è idoneo alla caratterizzazione di dispositivi sensori integrati in tag RFID passivi. In other words, the device of the invention allows the remote acquisition of the radiofrequency signature of an RFID transponder, preferably of the passive type and also of sensitive transponders. In detail, the method implemented by this device is suitable for the characterization of sensor devices integrated in passive RFID tags.
Il problema tecnico è risolto acquisendo a distanza il segnale di risposta elettromagnetica relativa ad un transponder (trasmettitore - risponditore, o più semplicemente “tag”) ad esempio del tipo RF passivo, preferibilmente con sensore a bordo. The technical problem is solved by acquiring at a distance the electromagnetic response signal relating to a transponder (transmitter - responder, or more simply "tag") for example of the passive RF type, preferably with sensor on board.
Secondo un particolare aspetto, lo scopo della presente invenzione è quello di identificare lo stato elettrico di un transponder a partire dallo spettro del segnale associato al campo magnetico ad esso concatenato quando in prossimità di un opportuno lettore. According to a particular aspect, the object of the present invention is to identify the electrical state of a transponder starting from the spectrum of the signal associated with the magnetic field linked to it when in proximity to a suitable reader.
Vantaggiosamente, se si considera un transponder il cui stato elettrico sia variabile in funzione di un parametro chimico/fisico dell’ambiente in cui è localizzato, il dispositivo dell'invenzione consente di misurare a distanza e in maniera indiretta tale parametro chimico/fisico mediante la caratterizzazione dello stato elettromagnetico del transponder. Advantageously, if we consider a transponder whose electrical state is variable according to a chemical / physical parameter of the environment in which it is located, the device of the invention allows this chemical / physical parameter to be measured remotely and indirectly by means of the characterization of the electromagnetic state of the transponder.
Per fare ciò, è noto (nel senso che può essere calcolato e/o misurato) lo stato elettrico del transponder da prendere come riferimento (una volta opportunamente fissato il modello analitico del tag) che corrisponde ad un valore noto del parametro chimico/fisico neN’ambiente di installazione. To do this, it is known (in the sense that it can be calculated and / or measured) the electrical state of the transponder to be taken as a reference (once the analytical model of the tag has been suitably fixed) which corresponds to a known value of the chemical / physical parameter neN installation environment.
In particolare, noto uno spettro del segnale elettromagnetico riflesso dal transponder in una condizione di riferimento, si considera la sua variazione in funzione dei parametri deN’ambiente in cui è localizzato il transponder. La grandezza di cui si considera la variazione è preferibilmente la frequenza di risonanza, estrapolabile a partire dallo spettro del segnale secondo calcoli di tipo noto. In particular, knowing a spectrum of the electromagnetic signal reflected by the transponder in a reference condition, its variation is considered as a function of the parameters of the environment in which the transponder is located. The quantity of which the variation is considered is preferably the resonance frequency, which can be extrapolated from the spectrum of the signal according to known calculations.
Questa informazione prescinde dal contenuto logico della memoria del chip integrato sul tag e in definitiva dal suo identificativo logico (nel caso degli RFID definito “UUID”). Pertanto, vantaggiosamente, è possibile operare anche su transponder RFID chip-less o danneggiati. This information is independent of the logical content of the memory of the chip integrated on the tag and ultimately of its logical identifier (in the case of RFID defined as “UUID”). Therefore, advantageously, it is also possible to operate on chip-less or damaged RFID transponders.
Se nella parte RF del circuito del transponder è presente un sensore, il sistema permette aN’utente di rilevare le variazioni della risposta elettrica del sensore stesso. If there is a sensor in the RF part of the transponder circuit, the system allows the user to detect changes in the electrical response of the sensor itself.
Vantaggiosamente, l'invenzione consente di evitare l’impiego della tradizionale strumentazione necessaria alla progettazione e la verifica dei tag RFID, riducendo costi e ingombri ad essa associati, configurandosi preferibilmente come un sistema portatile. Advantageously, the invention allows to avoid the use of the traditional instrumentation necessary for the design and verification of RFID tags, reducing costs and dimensions associated with it, preferably configuring as a portable system.
Secondo un ulteriore aspetto vantaggioso dell'invenzione, la grandezza rilevata dal sensore eventualmente a bordo del tag può essere di qualsivoglia natura, purché una variazione del misurando sia trasdotta in una variazione di impedenza elettrica. Dato l'ambito in cui l’invenzione s’inquadra, particolare importanza rivestono sensori di tipo chimico e in particolare i sensori di gas. According to a further advantageous aspect of the invention, the quantity detected by the sensor possibly on board the tag can be of any nature, provided that a variation of the measurand is transduced into a variation of electrical impedance. Given the area in which the invention fits, chemical sensors and in particular gas sensors are of particular importance.
Vantaggiosamente, l’invenzione può trovare impiego in contesti quali ambiente contaminato, ostile o semplicemente inaccessibile, necessità di identificare la sorgente del dato sensoriale, ecc. in modo da consentire l’acquisizione remota dei valori trasdotti senza per questo ricorrere a strumenti di misura che, date le grandezze in gioco, si è già detto essere sofisticati, delicati, costosi ed energivori. Advantageously, the invention can be used in contexts such as a contaminated, hostile or simply inaccessible environment, the need to identify the source of the sensory data, etc. in order to allow the remote acquisition of the transduced values without resorting to measuring instruments which, given the quantities involved, have already been said to be sophisticated, delicate, expensive and energy-intensive.
Per ottenere questo risultato, si progettato un lettore “personalizzato” (custom reader) che, diversamente dai lettori commerciali, non sia in grado di leggere il contenuto logico della memoria di un transponder, ma che sia piuttosto progettato per costruire una rappresentazione dello stato del sensore basandosi sull'interrogazione, frequenza per frequenza, dello spettro di intensità del segnale riflesso dal transponder. To obtain this result, a "custom" reader was designed which, unlike commercial readers, is not able to read the logical content of the memory of a transponder, but which is rather designed to construct a representation of the status of the sensor based on the interrogation, frequency by frequency, of the intensity spectrum of the signal reflected by the transponder.
In particolare, l’invenzione consente di rilevare le variazioni deN’ammettenza di un transponder - preferibilmente passivo - che possono essere dovute alla variazione deN’ammettenza di un sensore elettricamente connesso alla parte RF del circuito del transponder, allo stato di usura del tag o del chip oppure alla natura stessa del chip, delle interconnessioni o del substrato adottati nella sintesi del tag. In particular, the invention makes it possible to detect the variations in the admittance of a transponder - preferably passive - which may be due to the variation in the admittance of a sensor electrically connected to the RF part of the transponder circuit, the state of wear of the tag or of the chip or the very nature of the chip, interconnections or substrate adopted in the synthesis of the tag.
Vantaggiosamente, tale operazione è realizzata senza prevedere l’impiego di una connessione diretta (wired) tra il lettore e il circuito del tag, né di un analizzatore di reti (VNA), un analizzatore di spettro, un analizzatore d’impedenza, o un oscilloscopio, come invece richiesto dalle soluzioni presenti nella tecnica nota. Advantageously, this operation is carried out without requiring the use of a direct connection (wired) between the reader and the tag circuit, nor of a network analyzer (VNA), a spectrum analyzer, an impedance analyzer, or a oscilloscope, as instead required by the solutions present in the known art.
Secondo forme di realizzazione particolarmente vantaggiose, l’invenzione è preferibilmente di tipo portatile e risulta di basso peso e ingombri ridotti. According to particularly advantageous embodiments, the invention is preferably of the portable type and is of low weight and compact size.
Secondo un ulteriore aspetto, l’invenzione presenta bassi costi di realizzazione e consumi energetici. According to a further aspect, the invention has low construction costs and energy consumption.
Inoltre, il dispositivo dell'invenzione può essere dotato di mezzi di connessione, ad esempio USB, con un computer o in generale reti di comunicazione. Furthermore, the device of the invention can be equipped with connection means, for example USB, with a computer or communication networks in general.
In particolare, come verrà meglio apprezzato nella descrizione dettagliata a seguire, è possibile variare l'ampiezza dell'intervallo di frequenze da indagare, la risoluzione in frequenza con cui lo spettro delle variazioni viene acquisito e l’accuratezza della misura dell’ampiezza della risposta del tag. In particular, as will be better appreciated in the detailed description below, it is possible to vary the width of the frequency range to be investigated, the frequency resolution with which the spectrum of variations is acquired and the accuracy of the measurement of the response amplitude. of the tag.
Secondo forme di realizzazione preferite dell’invenzione, i tempi di acquisizione del segnale di risposta del trasponder al campo magnetico trasmesso dal dispositivo lettore sono molto contenuti (dell’ordine dei secondi). According to preferred embodiments of the invention, the acquisition times of the transponder response signal to the magnetic field transmitted by the reader device are very low (in the order of seconds).
Inoltre, vantaggiosamente, l’invenzione risulta essere un sistema estremamente economico (realizzabile mediante circuiteria commerciale ampiamente diffusa), accurato per quanto riguarda la generazione della frequenza di interrogazione (probing), non legato alla necessità di disporre di alimentazione elettrica da rete né di strumentazione di misura dedicata. Furthermore, advantageously, the invention turns out to be an extremely economical system (achievable by widely used commercial circuitry), accurate as regards the generation of the interrogation frequency (probing), not linked to the need to have mains power supply or instrumentation. dedicated measurement.
Ancora, delle forme di realizzazione di tag compatibili con il dispositivo dell’invenzione possono essere derivate in maniera semplice da tag RFID HF commerciali (ad esempio standard MIFARE) modificandone il circuito con l’inserimento di un sensore preferibilmente capacitivo in parallelo all’antenna. Furthermore, embodiments of tags compatible with the device of the invention can be derived in a simple way from commercial RFID HF tags (for example standard MIFARE) by modifying the circuit with the insertion of a preferably capacitive sensor in parallel to the antenna.
Pertanto, l’informazione logica può essere recuperata mediante un reader standard (se le caratteristiche di banda passante e sensibilità del tag a valle della variazione dell’ammettenza del sensore risultano ancora compatibili con i sistemi RFID convenzionali) e i costi dei transponder risultano molto contenuti perché non occorre avvalersi di chip dedicati. Therefore, the logical information can be retrieved using a standard reader (if the characteristics of the passband and sensitivity of the tag downstream of the sensor admittance variation are still compatible with conventional RFID systems) and the costs of the transponders are very low because there is no need to use dedicated chips.
Secondo forme di realizzazione preferite dell’invenzione, il sistema proposto presenta una configurazione flessibile, ad esempio il supporto (holder) per il tag contenente le antenne può essere distaccato dal corpo principale del dispositivo, affacciato a superfici di ambienti da monitorizzare o integrato in oggetti di uso comune, elementi architettonici o in altri prodotti. According to preferred embodiments of the invention, the proposed system has a flexible configuration, for example the holder for the tag containing the antennas can be detached from the main body of the device, facing surfaces of environments to be monitored or integrated into objects in common use, architectural elements or in other products.
In un’ottica di maggiore dettaglio, una modalità preferita dell’approccio seguito consiste nel modulare l’ammettenza del transponder attraverso la variazione di ammettenza di un sensore. Tale strategia si presta ad essere verificata anche in laboratorio attraverso gli strumenti di misura dell’impedenza, relativamente semplici da reperire e poco complessi. In a more detailed perspective, a preferred method of the approach followed is to modulate the admittance of the transponder through the admittance variation of a sensor. This strategy can also be verified in the laboratory through impedance measuring instruments, which are relatively simple to find and not very complex.
In particolare, la progettazione e la verifica dei tag RFID compresi nel sistema dell’invenzione può essere supportata in laboratorio misurando lo spettro di ammettenza (o di impedenza) del sistema mediante l’utilizzo di un analizzatore di reti vettoriale (VNA) collegato ad una antenna standard wire-loop. In particular, the design and verification of the RFID tags included in the system of the invention can be supported in the laboratory by measuring the admittance (or impedance) spectrum of the system by using a vector network analyzer (VNA) connected to a standard wire-loop antenna.
Infatti, quando nel circuito di un transponder RFID è collegato un sensore in grado di cambiare la propria impedenza in funzione del tipo e della concentrazione dell’analita, la variazione dell’impedenza complessa del sensore si riflette sullo spettro di ammettenza del tag. In fact, when a sensor capable of changing its impedance according to the type and concentration of the analyte is connected in the circuit of an RFID transponder, the variation in the complex impedance of the sensor is reflected in the admittance spectrum of the tag.
Pertanto, attraverso un VNA connesso ad un’antenna di caratteristiche standardizzate, le variazioni nella risposta del sensore possono essere misurate a distanza. Therefore, through a VNA connected to an antenna with standardized characteristics, the variations in the sensor response can be measured at a distance.
Secondo un ulteriore aspetto, il dispositivo dell’invenzione è idoneo alla caratterizzazione dei sensori per gas e vapori, e può rivestire un ruolo importante nello sviluppo di nuovi materiali sensibili, dispositivi sensori, metodi di pattern-recognition e in generale sistemi sensoriali in grado di monitorare miscele complesse di gas e vapori. According to a further aspect, the device of the invention is suitable for the characterization of sensors for gases and vapors, and can play an important role in the development of new sensitive materials, sensor devices, pattern-recognition methods and in general sensory systems capable of monitor complex mixtures of gases and vapors.
Altri vantaggi, caratteristiche e le modalità di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. Other advantages, characteristics and methods of use of the present invention will become evident from the following detailed description of some embodiments, presented by way of non-limiting example.
Descrizione breve delle figure Brief description of the figures
Verrà fatto riferimento alle figure allegate, in cui: Reference will be made to the attached figures, in which:
la Figura 1 mostra una vista schematica di una prima forma di realizzazione preferita di un sistema e di un dispositivo secondo la presente invenzione; Figure 1 shows a schematic view of a first preferred embodiment of a system and a device according to the present invention;
- la Figura 2 mostra una vista schematica di una seconda forma di realizzazione preferita di un dispositivo e di un sistema secondo la presente invenzione; Figure 2 shows a schematic view of a second preferred embodiment of a device and a system according to the present invention;
- la Figura 3 mostra un grafico esemplificativo di dati di calibrazione di un dispositivo secondo la presente invenzione; Figure 3 shows an exemplary graph of calibration data of a device according to the present invention;
- la Figura 4 mostra una vista schematica in pianta di una forma di realizzazione preferita di un transponder secondo la presente invenzione; Figure 4 shows a schematic plan view of a preferred embodiment of a transponder according to the present invention;
- la Figura 5 mostra una vista schematica in sezione trasversale di un condensatore a struttura interdigitata; Figure 5 shows a schematic cross-sectional view of a capacitor with an interdigitated structure;
- la Figura 6 mostra un esempio di un condensatore a struttura interdigitata, tratto da “Progress In Electromagnetics Research B, Voi. 7, 2008”; - Figure 6 shows an example of an interdigitated structure capacitor, taken from “Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 7, 2008”;
- la Figura 6A mostra una vista schematica di una forma di realizzazione preferita della geometria dei contatti di un condensatore a struttura interdigitata secondo la presente invenzione; Figure 6A shows a schematic view of a preferred embodiment of the contact geometry of an interdigitated structure capacitor according to the present invention;
- la Figura 7 mostra una vista in prospettiva di una forma di realizzazione preferita di un supporto compreso in un dispositivo secondo la presente invenzione; Figure 7 shows a perspective view of a preferred embodiment of a support included in a device according to the present invention;
- la Figura 8 mostra viste in sezione del supporto mostrato in Figura 6; Figure 8 shows sectional views of the support shown in Figure 6;
- la Figura 9 mostra due grafici che illustrano rispettivamente l’andamento di una frequenza di risonanza del dispositivo in assenza di transponder e l’andamento della frequenza di risonanza del dispositivo in presenza di trasponder concatenato al suo campo magnetico; - Figure 9 shows two graphs that respectively illustrate the trend of a resonant frequency of the device in the absence of a transponder and the trend of the resonant frequency of the device in the presence of a transponder linked to its magnetic field;
- le Figure 10A-10D mostrano grafici delle curve di calibrazione del dispositivo secondo la presente invenzione; Figures 10A-10D show graphs of the calibration curves of the device according to the present invention;
- la Figura 11 mostra una forma di realizzazione preferita di un’architettura software di un programma di gestione del dispositivo secondo la presente invenzione; - Figure 11 shows a preferred embodiment of a software architecture of a device management program according to the present invention;
- la Figura 12 mostra una modalità preferita di visualizzazione dei grafici relativi all’andamento di parametri associati al segnale elettrico del campo magnetico riflesso dal transponder; - Figure 12 shows a preferred mode of displaying the graphs relating to the trend of parameters associated with the electrical signal of the magnetic field reflected by the transponder;
- la Figura 13 mostra una forma di realizzazione preferita di un adattatore per una camera di test da applicare ad un dispositivo secondo la presente invenzione; Figure 13 shows a preferred embodiment of an adapter for a test chamber to be applied to a device according to the present invention;
- la Figura 14 mostra una forma di realizzazione preferita di una camera di test per un dispositivo secondo la presente invenzione; Figure 14 shows a preferred embodiment of a test chamber for a device according to the present invention;
- la Figura 15 mostra una vista frontale e due viste laterali della camera di test di Figura 11 ; Figure 15 shows a front view and two side views of the test chamber of Figure 11;
- le Figure 16A e 16B mostrano rispettivamente un grafico in cui sono riportate delle curve di risposta del transponder al variare deN’umidità dell’ambiente di lavoro; - Figures 16A and 16B respectively show a graph showing the response curves of the transponder as the humidity of the working environment varies;
- la Figura 17 mostra spettri dell'inviluppo del segnale di risposta del transponder misurati attraverso il prototipo dell'invenzione; Figure 17 shows spectra of the envelope of the response signal of the transponder measured through the prototype of the invention;
- le Figure 18A e 18B mostrano rispettivamente un grafico della parte reale (R) e della parte immaginaria (X) dello spettro di ammettenza del segnale di risposta del transponder; Figures 18A and 18B respectively show a graph of the real part (R) and of the imaginary part (X) of the admittance spectrum of the response signal of the transponder;
- la Figura 19 mostra un grafico delle frequenze di risonanza calcolate mediante una forma di realizzazione preferita del sistema secondo l’invenzione messe a confronto con le frequenze di risonanza calcolate a partire da misure effettuate con un analizzatore di reti vettoriale; i dati di partenza sono quelli estratti dai grafici di Figg. 17, 18A e 18B; e - Figure 19 shows a graph of the resonance frequencies calculated by means of a preferred embodiment of the system according to the invention compared with the resonance frequencies calculated from measurements made with a vector network analyzer; the starting data are those extracted from the graphs of Figs. 17, 18A and 18B; And
- la Figura 20 mostra un diagramma di flusso esemplificativo di una forma di realizzazione preferita di alcuni passi del metodo secondo la presente invenzione. Figure 20 shows an exemplary flow diagram of a preferred embodiment of some steps of the method according to the present invention.
Le figure suindicate sono da intendersi esclusivamente a fini esemplificativi e non limitativi. The aforementioned figures are intended solely for illustrative and non-limiting purposes.
Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite Detailed description of preferred embodiments
Facendo inizialmente riferimento alla Figura 1 , una prima forma di realizzazione preferita di un sistema secondo la presente invenzione per la misurazione a distanza di un parametro chimico/fisico di un ambiente, basato sulla caratterizzazione dello stato elettromagnetico di un transponder localizzato in tale ambiente, è denotato complessivamente con 100. Referring initially to Figure 1, a first preferred embodiment of a system according to the present invention for the remote measurement of a chemical / physical parameter of an environment, based on the characterization of the electromagnetic state of a transponder located in that environment, is denoted altogether with 100.
Il sistema 100 comprende innanzitutto un dispositivo di misura o più semplicemente lettore (reader) 10 e un transponder 1, preferibilmente un tag RFID passivo, a cui si fa riferimento a seguire anche più semplicemente come tag. The system 100 first of all comprises a measuring device or more simply reader 10 and a transponder 1, preferably a passive RFID tag, which is referred to hereinafter also more simply as a tag.
Il transponder 1 è configurato in maniera tale da presentare uno o più parametri elettrici/magnetici variabili in funzione di detto parametro chimico/fisico rilevato, in particolare un parametro elettrico variabile quale un’ammettenza o impedenza elettrica. La variazione di tali parametri causa una corrispondente variazione del segnale elettrico associato al campo magnetico riflesso del transponder, in particolare della frequenza di risonanza dello spettro di intensità del segnale. Al fine di apprezzare tale variazione, i valori dei parametri elettromagnetici del transponder sono noti rispetto ad una condizione di riferimento, in cui è noto il valore del parametro chimico-fisico in oggetto. The transponder 1 is configured in such a way as to present one or more variable electrical / magnetic parameters as a function of said chemical / physical parameter detected, in particular a variable electrical parameter such as an admittance or electrical impedance. The variation of these parameters causes a corresponding variation of the electrical signal associated with the reflected magnetic field of the transponder, in particular of the resonance frequency of the intensity spectrum of the signal. In order to appreciate this variation, the values of the electromagnetic parameters of the transponder are known with respect to a reference condition, in which the value of the chemical-physical parameter in question is known.
II transponder 1 è equipaggiato preferibilmente con un sensore dedicato al rilievo di un parametro chimico/fisico dell’ambiente in cui è installato. Transponder 1 is preferably equipped with a sensor dedicated to measuring a chemical / physical parameter of the environment in which it is installed.
Ad esempio, il sensore può essere atto alla misurazione della concentrazione di un gas o della concentrazione di umidità nell’ambiente di installazione del tag 1. Come anticipato, il sensore è strutturato in maniera tale da variare uno o più dei suoi parametri elettromagnetici a seconda delle caratteristiche dell’ambiente in cui è immerso. Ad esempio, si può adottare un tag dotato di un sensore capacitivo, la cui capacità elettrica varia in funzione dell’umidità dell’ambiente di installazione. For example, the sensor can be suitable for measuring the concentration of a gas or the concentration of humidity in the installation environment of tag 1. As anticipated, the sensor is structured in such a way as to vary one or more of its electromagnetic parameters depending on the characteristics of the environment in which it is immersed. For example, you can use a tag equipped with a capacitive sensor, whose electrical capacity varies according to the humidity of the installation environment.
Ad una variazione di capacità, o più in generale di una grandezza elettromagnetica, del sensore, corrisponde una commisurata variazione di capacità, o più in generale di un parametro elettrico nel circuito relativo al tag 1 considerato nel suo complesso. To a change in capacitance, or more generally in an electromagnetic quantity, of the sensor, there corresponds a commensurate change in capacitance, or more generally in an electrical parameter in the circuit relating to the tag 1 considered as a whole.
Le specifiche elettromagnetiche del sensore, quanto quelle del tag, sono note a priori rispetto a condizioni ambientali di riferimento, secondo quanto già descritto. The electromagnetic specifications of the sensor, as well as those of the tag, are known a priori with respect to the reference environmental conditions, according to what has already been described.
Risulta particolarmente vantaggioso l'impiego di un sensore di tipo capacitivo, in particolare chem io-capacitivo il cui parametro elettrico/magnetico variabile in funzione del parametro chimico/fisico rilevato è la capacità elettrica. It is particularly advantageous to use a sensor of the capacitive type, in particular chemio-capacitive whose electrical / magnetic parameter which varies according to the chemical / physical parameter detected is the electrical capacitance.
Preferibilmente, sono impiegati sensori di tipo capacitivo che si comportano come un condensatore elettrico, in particolare presentante una struttura interdigitata. Preferably, sensors of the capacitive type are used which behave like an electric capacitor, in particular having an interdigitated structure.
Per un sensore configurato per la rilevazione deN’umidità neN’ambiente, la struttura del condensatore può comprendere preferibilmente un substrato di allumina, due contatti in oro serigrafati e un polimero igroscopico presentante elevata affinità con l’acqua, preferibilmente solubile in acqua, quale sostanza sensibile al parametro da misurare, ad esempio poli(vinil alcool). For a sensor configured for the detection of humidity in the environment, the structure of the condenser may preferably comprise an alumina substrate, two silk-screened gold contacts and a hygroscopic polymer having a high affinity for water, preferably soluble in water, as a substance. sensitive to the parameter to be measured, for example poly (vinyl alcohol).
Il lettore o reader 10 è configurato per la caratterizzazione a distanza dello stato elettromagnetico del transponder 1 e per la conseguente misurazione indiretta del parametro chimico/fisico dell’ambiente misurato appunto dal transponder 1. The reader or reader 10 is configured for the remote characterization of the electromagnetic state of transponder 1 and for the consequent indirect measurement of the chemical / physical parameter of the environment measured precisely by transponder 1.
La caratterizzazione dello stato elettromagnetico del tag è effettuata dal lettore 10 sostanzialmente mediante la trasmissione a distanza di un segnale elettromagnetico al transponder 1, l’acquisizione a distanza del segnale di risposta elettromagnetica dello stesso transponder e l’estrapolazione dello status elettromagnetico del tag 1 mediante elaborazione del segnale di risposta. Per effettuare la caratterizzazione dell’ambiente in cui il tag è immerso, perlomeno rispetto al parametro fisico/chimico in funzione del quale sono variabili i parametri elettromagnetici del sensore a bordo del tag, si effettua la comparazione di tale status elettromagnetico di risposta con lo status elettromagnetico del tag -noto a priori- in una condizione di riferimento in cui è noto il valore del parametro chimico/fisico considerato. Naturalmente, è nota anche la legge che esprime la variazione del/i parametro/i elettromagnetico/i del sensore in funzione del parametro chimico/fisico considerato. The characterization of the electromagnetic state of the tag is carried out by the reader 10 substantially by means of the remote transmission of an electromagnetic signal to the transponder 1, the remote acquisition of the electromagnetic response signal of the same transponder and the extrapolation of the electromagnetic status of the tag 1 by means of response signal processing. To carry out the characterization of the environment in which the tag is immersed, at least with respect to the physical / chemical parameter according to which the electromagnetic parameters of the sensor on the tag are variable, a comparison of this electromagnetic response status with the status is carried out. electromagnetic of the tag - known a priori - in a reference condition in which the value of the chemical / physical parameter considered is known. Naturally, the law that expresses the variation of the electromagnetic parameter (s) of the sensor as a function of the chemical / physical parameter considered is also known.
A tale scopo, il dispositivo 10 comprende un’unità di controllo ed elaborazione di dati 6, un’unità di generazione 5 di un segnale elettrico e un’unità di ricezione 7 di un segnale elettrico di ritorno entrambe connesse all’unità di controllo ed elaborazione 6, e dei mezzi di accoppiamento elettromagnetico 4 con il transponder 1. For this purpose, the device 10 comprises a control and data processing unit 6, a generating unit 5 for an electrical signal and a receiving unit 7 for an electrical return signal, both connected to the control unit and processing 6, and of the electromagnetic coupling means 4 with the transponder 1.
In particolare, l’unità di generazione 5 è configurata per generare un segnale elettrico sinusoidale, preferibilmente controllato numericamente, dall’unità di controllo ed elaborazione 6. Preferibilmente, l’unità di generazione 5 comprende un sintetizzatore digitale di segnale, ad esempio un sintetizzatore digitale diretto, per 1’impostazione della frequenza di alimentazione del segnale elettrico. In particular, the generation unit 5 is configured to generate a sinusoidal electrical signal, preferably numerically controlled, from the control and processing unit 6. Preferably, the generation unit 5 comprises a digital signal synthesizer, for example a synthesizer direct digital, for setting the power supply frequency of the electrical signal.
I mezzi di accoppiamento elettromagnetico 4 con il transponder 1 comprendono un’antenna di trasmissione ( probing coi I) 2, connessa all’unità di generazione 5, configurata per la diffusione di un campo magnetico corrispondente al segnale elettrico dell’unità di generazione 5 in corrispondenza del transponder 1. The electromagnetic coupling means 4 with the transponder 1 comprise a transmission antenna (probing coi I) 2, connected to the generation unit 5, configured for the diffusion of a magnetic field corresponding to the electrical signal of the generation unit 5 in correspondence of transponder 1.
Ulteriormente, i mezzi 4 comprendono un’antenna di ricezione ( sensing coi I) 3, connessa all’unità di ricezione 7, configurata per concatenare il campo magnetico riflesso dal transponder 1. Further, the means 4 comprise a receiving antenna (sensing with I) 3, connected to the receiving unit 7, configured to concatenate the magnetic field reflected by the transponder 1.
Le antenne di trasmissione e di ricezione 2, 3, possono comprendere ciascuna un solenoide. Preferibilmente, l’antenna di trasmissione 2 è configurata per la diffusione di un campo magnetico che sia idoneo anche all’alimentazione del transponder 1 , quando questo è di tipo passivo. The transmitting and receiving antennas 2, 3 can each comprise a solenoid. Preferably, the transmission antenna 2 is configured for the diffusion of a magnetic field that is also suitable for powering the transponder 1, when this is of the passive type.
In particolare, l’antenna di trasmissione 2, l’antenna di ricezione 3 e il transponder 1 costituiscono un sistema ad anello chiuso dal punto di vista elettromagnetico. In particular, the transmission antenna 2, the reception antenna 3 and the transponder 1 constitute a closed loop system from an electromagnetic point of view.
L’antenna di ricezione 3 è ulteriormente configurata per trasmettere un segnale elettrico di ritorno corrispondente al campo magnetico riflesso dal transponder 1 -funzione del parametro elettromagnetico variabile del transponder 1- all’unità di ricezione 7. The receiving antenna 3 is further configured to transmit an electrical return signal corresponding to the magnetic field reflected by the transponder 1 - function of the variable electromagnetic parameter of the transponder 1- to the receiving unit 7.
Tale unità di ricezione 7 è programmata per trasmettere detto segnale elettrico di ritorno all’unità di controllo e elaborazione 6, che è a sua volta programmata per elaborare il segnale elettrico di ritorno. This receiving unit 7 is programmed to transmit said electrical return signal to the control and processing unit 6, which is in turn programmed to process the electrical return signal.
L’unità di controllo e elaborazione 6 è configurata per calcolare un valore del parametro chimico/fisico dell’ambiente di lavoro in cui è localizzato il tag 1 sulla base del confronto tra il segnale elettrico di ritorno acquisito e un segnale elettrico di ritorno di riferimento in condizioni ambientali note e delle relazioni tra detto parametro e il segnale elettrico di ritorno. The control and processing unit 6 is configured to calculate a value of the chemical / physical parameter of the work environment in which tag 1 is located on the basis of the comparison between the acquired electrical return signal and a reference return electrical signal under known environmental conditions and of the relationships between said parameter and the electric return signal.
Come anticipato, il campo magnetico riflesso dal transponder 1 e il corrispondente segnale elettrico di ritorno inviato all’unità di controllo e elaborazione 6 sono variabili in funzione del parametro elettromagnetico variabile del tag 1. In particolare, la variazione dell’impedenza complessa del sensore si riflette sullo spettro di ammettenza del transponder, pertanto questa caratteristica può essere misurata a distanza. As anticipated, the magnetic field reflected by the transponder 1 and the corresponding electric return signal sent to the control and processing unit 6 are variable according to the variable electromagnetic parameter of the tag 1. In particular, the complex impedance variation of the sensor is reflects on the admittance spectrum of the transponder, so this characteristic can be measured from a distance.
L’unità di ricezione 7, connessa all’unità di controllo ed elaborazione 6, può essere ulteriormente progettata per eseguire un condizionamento del segnale elettrico di ritorno prima di trasmetterlo a detta unità di controllo e elaborazione 6. The receiving unit 7, connected to the control and processing unit 6, can be further designed to perform a conditioning of the return electrical signal before transmitting it to said control and processing unit 6.
Il condizionamento è effettuato per consentire una lettura più accurata del segnale, dunque per apprezzare meglio le variazioni del parametro elettromagnetico variabile e di conseguenza per calcolare con maggiore accuratezza il parametro chimico/fisico dell’ambiente monitorato in funzione del quale il parametro elettromagnetico è variabile. In particolare, l’unità di ricezione 7 comprende un demodulatore 8 di ampiezza del segnale elettrico corrispondente al campo magnetico riflesso dal transponder e un convertitore A/D 9 del segnale elettrico, atto a convertire il segnale da analogico a digitale. The conditioning is carried out to allow a more accurate reading of the signal, therefore to better appreciate the variations of the variable electromagnetic parameter and consequently to calculate more accurately the chemical / physical parameter of the monitored environment according to which the electromagnetic parameter is variable. In particular, the reception unit 7 comprises a demodulator 8 of amplitude of the electrical signal corresponding to the magnetic field reflected by the transponder and an A / D converter 9 of the electrical signal, adapted to convert the signal from analog to digital.
Secondo forme di realizzazione preferite dell'invenzione, l’unità di ricezione 7 comprende il demodulatore 8, il convertitore 9 e l’antenna di ricezione 3. In particolare, tra la sensing coil 3 e il demodulatore 8 è possibile introdurre un circuito di accordatura in grado di adattare la banda passante dell’unità di ricezione 7 alle caratteristiche di banda dello spettro di inviluppo da rilevare. L’unità di controllo e elaborazione 6 è programmata per elaborare il segnale elettrico di ritorno condizionato dall’unità di ricezione 7 e per calcolare il parametro chimico/fisico dell’ambiente in funzione di detto segnale elettrico di ritorno condizionato, secondo le considerazioni illustrate in precedenza. Inoltre, l’unità di controllo e elaborazione 6 può essere configurata anche per ritrasmettere semplicemente i dati relativi all’inviluppo ad un sistema di elaborazione di classe superiore. Mezzo, quest’ultimo, idoneo all’estrazione dei parametri fisici da misurare a partire dallo spettro del segnale inviluppato. In particolare, l’unità di controllo e elaborazione 6 è programmata per l’elaborazione di uno spettro di intensità associato al campo magnetico riflesso dal transponder, funzione del parametro elettrico/magnetico variabile. Dallo spettro di intensità (o firma RF) possono essere estrapolati i parametri elettrici che qualificano e quantificano le prestazioni del canale trasmissivo (e in definitiva del transponder 1), quali ad esempio frequenza di risonanza, banda passante, fattore di qualità, ecc.. According to preferred embodiments of the invention, the receiving unit 7 comprises the demodulator 8, the converter 9 and the receiving antenna 3. In particular, between the sensing coil 3 and the demodulator 8 it is possible to introduce a tuning circuit capable of adapting the passband of the receiving unit 7 to the band characteristics of the envelope spectrum to be detected. The control and processing unit 6 is programmed to process the conditioned electrical return signal from the receiving unit 7 and to calculate the chemical / physical parameter of the environment as a function of said conditioned return electrical signal, according to the considerations illustrated in precedence. In addition, the control and processing unit 6 can also be configured to simply retransmit the data relating to the envelope to a higher-class processing system. The latter is suitable for extracting the physical parameters to be measured starting from the spectrum of the enveloped signal. In particular, the control and processing unit 6 is programmed for processing an intensity spectrum associated with the magnetic field reflected by the transponder, a function of the variable electrical / magnetic parameter. The electrical parameters that qualify and quantify the performance of the transmission channel (and ultimately of the transponder 1) can be extrapolated from the intensity spectrum (or RF signature), such as resonance frequency, bandwidth, quality factor, etc.
Esempi di tale elaborazione e calcoli verranno illustrati a seguire. Examples of such processing and calculations will be illustrated below.
Inoltre, l’unità di controllo ed elaborazione 6 può comprendere dei mezzi di interfaccia 12 per consentirne il comando (anche in remoto) da parte di un utente. Secondo una forma di realizzazione preferita del dispositivo dell'invenzione, i mezzi di interfaccia 12 comprendono preferibilmente un monitor per la visualizzazione dello spettro elettromagnetico associato al campo magnetico riflesso dal transponder e il software che si interfaccia col sistema di acquisizione, rappresenta i grafici relativi ad ulteriori elaborazioni ed espone i controlli necessari alla configurazione del reader. In addition, the control and processing unit 6 may comprise interface means 12 to allow its command (even remotely) by a user. According to a preferred embodiment of the device of the invention, the interface means 12 preferably comprise a monitor for viewing the electromagnetic spectrum associated with the magnetic field reflected by the transponder and the software that interfaces with the acquisition system, represents the graphs relating to further processing and exposes the controls necessary for the configuration of the reader.
Come anticipato, uno scopo dell’invenzione è quello di identificare lo stato elettrico di un transponder a partire dallo spettro del segnale associato al campo magnetico ad esso concatenato. Qualora nella parte RF del circuito del transponder sia presente un sensore, come nella forma di realizzazione preferita dell'invenzione prima descritta, il sistema consente aN’utente di rilevare le variazioni della risposta elettrica del sensore stesso. As anticipated, an aim of the invention is to identify the electrical state of a transponder starting from the spectrum of the signal associated with the magnetic field linked to it. If a sensor is present in the RF part of the transponder circuit, as in the preferred embodiment of the invention described above, the system allows the user to detect changes in the electrical response of the sensor itself.
L’acquisizione dei dati sensoriali può essere effettuata non solo da un singolo transponder, ma in parallelo da un array di transponder sensibili, replicando l’architettura del dispositivo lettore 10, oppure serialmente, portando di volta in volta nuovi transponder in prossimità dell’apparato lettore il tag-sensore di riferimento, o ancora multiplessando il canale di acquisizione e replicando le antenne di interfacciamento col transponder. The acquisition of sensory data can be carried out not only by a single transponder, but in parallel by an array of sensitive transponders, replicating the architecture of the reader device 10, or serially, bringing new transponders in the vicinity of the apparatus from time to time. reader the reference tag-sensor, or multiplexing the acquisition channel and replicating the antennas interfacing with the transponder.
Di seguito verrà descritta in maniera dettagliata una variante prototipale maggiormente dettagliata dell’architettura del sistema 100 dell'invenzione. A more detailed prototype variant of the architecture of the system 100 of the invention will be described in detail below.
Un sistema di interfacciamento del dispositivo di misura 10 sintetizza un segnale sinusoidale di frequenza variabile e lo trasmette al tag accoppiandosi con esso attraverso l’antenna o bobina interrogazione 2 (“probing coil”). La catena di acquisizione rileva l’inviluppo del segnale elettrico dovuto al flusso magnetico che si concatena al solenoide dell’antenna di ricezione 3 (“sensing coil” - SC) frapposto tra l’antenna o bobina trasmittente 2 (anch’essa a forma di solenoide) e il tag 1 equipaggiato (o meno) col sensore. An interfacing system of the measuring device 10 synthesizes a sinusoidal signal of variable frequency and transmits it to the tag by coupling with it through the antenna or interrogation coil 2 ("probing coil"). The acquisition chain detects the envelope of the electrical signal due to the magnetic flux which is chained to the solenoid of the receiving antenna 3 ("sensing coil" - SC) placed between the antenna or transmitting coil 2 (also in the shape of a solenoid) and tag 1 equipped (or not) with the sensor.
La tecnica implementata per la caratterizzazione del transponder 1 si basa quindi sull'intercettazione del segnale trasmesso tra un generatore sinusoidale controllato numericamente e un transponder 1. Le costanti di tempo naturali relative allo strato fisico del transponder e l’eventuale presenza di un sensore inteso come componente elettronico dotato di una propria impedenza elettrica introducono uno o più picchi di risonanza nell’intero sistema 100. Tali picchi possono essere rilevati acquisendo lo spettro del segnale alla probing coil 2. The technique implemented for the characterization of transponder 1 is therefore based on the interception of the signal transmitted between a numerically controlled sinusoidal generator and a transponder 1. The natural time constants relating to the physical layer of the transponder and the possible presence of a sensor intended as electronic component with its own electrical impedance introduce one or more resonance peaks into the entire system 100. These peaks can be detected by acquiring the spectrum of the signal at probing coil 2.
Tra la bobina trasmittente 2 del lettore 10 e l’antenna ricevente del transponder 1, il flusso magnetico viene concatenato ad una bobina di lettura 3 aggiuntiva secondo un approccio “Man-ln-The-Middle” (MITM), come schematizzato in Figura 1 e 2. Between the transmitting coil 2 of the reader 10 and the receiving antenna of the transponder 1, the magnetic flux is chained to an additional reading coil 3 according to a "Man-ln-The-Middle" (MITM) approach, as shown in Figure 1 and 2.
Trascurando le non linearità (che generalmente si innescano in tag dotati di chip), il segnale elettrico prelevato dalla bobina di sensing 3 è caratterizzato da una frequenza pari a quella del segnale generato e da una ampiezza dipendente dal modulo dell’impedenza del canale trasmissivo, e quindi in definitiva dallo stato elettrico del sensore. Neglecting the non-linearities (which generally trigger in tags equipped with chips), the electrical signal taken from the sensing coil 3 is characterized by a frequency equal to that of the generated signal and by an amplitude dependent on the impedance module of the transmission channel, and therefore ultimately from the electrical state of the sensor.
Uno spettro di intensità correlato al campo concatenato alla SC 3 può essere costruito variando la frequenza del generatore che alimenta la probing coil 2 (PC) e registrando l'inviluppo del segnale rilevato dalla SC 3. Per fare ciò, è necessario connettere la SC con un demodulatore d’ampiezza (ASK demodulator), che nel caso più semplice può essere realizzato attraverso un raddrizzatore a singola semionda, come illustrato in maniera dettagliata in Figura 2. An intensity spectrum related to the field linked to the SC 3 can be constructed by varying the frequency of the generator that feeds the probing coil 2 (PC) and by recording the envelope of the signal detected by the SC 3. To do this, it is necessary to connect the SC with an amplitude demodulator (ASK demodulator), which in the simplest case can be realized through a single half-wave rectifier, as illustrated in detail in Figure 2.
Si consideri un tag sensibile comprendente un sensore per il rilievo di un parametro chimico/fisico dell’ambiente di lavoro in cui è installato il tag, ad esempio per il rilievo dell’umidità ambientale. Potendo schematizzare il tag come un circuito RL-C risonante con i condensatori in parallelo (vedi ancora Fig. 2), in prima approssimazione, la frequenza di risonanza del tag può essere stimata dalla legge di Thomson: Consider a sensitive tag including a sensor for detecting a chemical / physical parameter of the work environment in which the tag is installed, for example for measuring environmental humidity. Being able to schematize the tag as a resonant RL-C circuit with the capacitors in parallel (see again Fig. 2), as a first approximation, the resonant frequency of the tag can be estimated by Thomson's law:
fr= i (Eq. 1) fr = i (Eq. 1)
Dalla legge proposta si osserva che è conveniente che il sensore sia di tipo capacitivo perché, in primo luogo, la frequenza di risonanza non dipende da attenuazioni che possono verificarsi a causa di distanze diverse tra il transponder e le bobine del lettore (SC e PC), e in secondo luogo perché detto parametro può essere stimato dal massimo del segnale di inviluppo prescindendo (fatti salvi limiti di sensibilità strumentale) dall’ampiezza di predetto massimo. Ciò in virtù del fatto che la frequenza di alimentazione è imposta attraverso il sintetizzatore diretto digitale di segnale (DDS), dunque la frequenza di risonanza può essere stimata con buona precisone poiché è generalmente fissata per costruzione. From the proposed law it is observed that it is convenient for the sensor to be of the capacitive type because, first of all, the resonant frequency does not depend on attenuations that can occur due to different distances between the transponder and the coils of the reader (SC and PC) , and secondly because said parameter can be estimated from the maximum of the envelope signal regardless (subject to instrumental sensitivity limits) from the amplitude of the aforementioned maximum. This is due to the fact that the supply frequency is imposed through the direct digital signal synthesizer (DDS), therefore the resonant frequency can be estimated with good accuracy since it is generally fixed by construction.
Al fine di alimentare il transponder, la bobina di probe è collegata ad un DDS, che in un prototipo dell'invenzione è basato sul chip AD9850 dell’Analog Devices®. Il DDS in questione produce un segnale sinusoidale “spettralmente puro”, di frequenza compresa tra 1Hz e la metà della frequenza di clock di riferimento, che nel presente caso è 125MHz. In order to power the transponder, the probe coil is connected to a DDS, which in a prototype of the invention is based on the Analog Devices® AD9850 chip. The DDS in question produces a “spectrally pure” sinusoidal signal, with a frequency between 1Hz and half the reference clock frequency, which in this case is 125MHz.
Pertanto, la sinusoide di massima frequenza ottenibile è di 62.5MHz. Nel DDS, la frequenza di uscita teorica è proporzionale al valore assunto da una “tuning word” {ΔΦ) che esprime il valore della frequenza della sinusoide da sintetizzare, descritta da un intero a 32bit con la quale è possibile programmare il sintetizzatore. Therefore, the obtainable maximum frequency sinusoid is 62.5MHz. In the DDS, the theoretical output frequency is proportional to the value assumed by a “tuning word” {ΔΦ) which expresses the value of the frequency of the sinusoid to be synthesized, described by a 32bit integer with which it is possible to program the synthesizer.
La frequenza in uscita all’oscillatore sarà quindi espressa dalla relazione: The oscillator output frequency will therefore be expressed by the relationship:
fck-ΔΦ fck-ΔΦ
ose (Eq. 2) 2<3Z>ose (Eq. 2) 2 <3Z>
essendo fa la frequenza di clock al DDS {fa =125MHz), 232 il numero di valori assumibili dalla tuning word e ΔΦ il valore della tuning word. being fa is the clock frequency at DDS {fa = 125MHz), 232 is the number of values that can be assumed by the tuning word and ΔΦ is the value of the tuning word.
Nella fattispecie, il termine “tuning word”, nel caso ad esempio del sintetizzatore AD9850, identifica un intero a 32bit (e in generale un intero a N bit) proporzionale al fattore per il quale la frequenza di clock del DDS viene divisa al fine di ottenere la frequenza del segnale sintetizzato. E’ infatti noto che tale fattore di proporzionalità vale in generale: ΔΦΙ2<Ν>e che 0 < ΔΦ ≤ 2<N>-1. Poiché il DDS può essere pensato come un divisore di frequenza digitale, esso risulta paragonabile ad una tabella di lookup che comprende 2<N>locazioni, ciascuna delle quali contiene un campione di un periodo di un segnale sinusoidale. Detta tabella viene scandita indirizzando la successiva locazione prescelta una volta ogni impulso di clock (quindi a intervalli regolari di Mfa) incrementando l’indirizzo di una quantità pari a ΔΦ. Ne segue che ogni intervallo di tempo Mfa la fase del segnale sinusoidale incrementa proporzionalmente a ΔΦ, essendo ΔΦ il numero di indirizzi di cui ad ogni impulso di clock si avanza nella scansione della tabella lookup. Naturalmente la sequenza dei valori prelevati con questo metodo dalla lookup table viene riconvertita in segnale analogico (mediante un convertitore digitale-analogico - DAC) e opportunamente filtrata per evitare la presenza di repliche. In this case, the term "tuning word", in the case of the AD9850 synthesizer, for example, identifies a 32bit integer (and in general an N bit integer) proportional to the factor by which the DDS clock frequency is divided in order to obtain the frequency of the synthesized signal. It is in fact known that this proportionality factor is generally valid: ΔΦΙ2 <Ν> and that 0 <ΔΦ ≤ 2 <N> -1. Since the DDS can be thought of as a digital frequency divider, it is comparable to a lookup table comprising 2 <N> locations, each of which contains a sample of a period of a sinusoidal signal. This table is scanned by addressing the next selected location once every clock pulse (therefore at regular intervals of Mfa) by increasing the address by an amount equal to ΔΦ. It follows that every time interval Mfa the phase of the sinusoidal signal increases proportionally to ΔΦ, being ΔΦ the number of addresses of which each clock pulse advances in the scan of the lookup table. Naturally, the sequence of values taken with this method from the lookup table is reconverted into an analog signal (by means of a digital-analog converter - DAC) and suitably filtered to avoid the presence of replicas.
Lo spettro di uscita conterrà sia la sinusoide sintetizzata sia le sue repliche, la prima delle quali avrà frequenza fck- fosc.Inoltre, a causa del filtro zero-orderhold in uscita al DAC (Digital to Analog Converter) del DDS - il DAC rappresenta lo stadio finale del DDS che ricostruisce la versione analogica del segnale sinusoidale a partire dai suoi campioni estratti dalla tabella di lookupl’ampiezza della sinusoide generata non sarà costante su tutto lo spettro, ma proporzionale al modulo della funzione: sinc(f/fck) = sen(n f/f^) / (π f/fck). The output spectrum will contain both the synthesized sine wave and its replicas, the first of which will have fck-fosc frequency. Also, due to the zero-orderhold filter at the output of the DDS's Digital to Analog Converter (DAC) - the DAC represents the final stage of the DDS which reconstructs the analog version of the sinusoidal signal starting from its samples extracted from the lookup table the amplitude of the generated sinusoid will not be constant over the entire spectrum, but proportional to the module of the function: sinc (f / fck) = sin (n f / f ^) / (π f / fck).
Per questo motivo, nella rilevazione dell'inviluppo del segnale alla SC, è necessaria un’operazione di normalizzazione, che per semplicità può essere realizzata via software, ad esempio secondo i dati riportati nella Figura 3. I dati di calibrazione mostrati in Figura 3 sono ottenuti da una acquisizione dello spettro una volta connesso il DDS direttamente al rilevatore d’inviluppo, in assenza delle bobine di probing e sensing. For this reason, in detecting the envelope of the signal at the SC, a normalization operation is necessary, which for simplicity can be performed via software, for example according to the data shown in Figure 3. The calibration data shown in Figure 3 are obtained from a spectrum acquisition once the DDS is connected directly to the envelope detector, in the absence of the probing and sensing coils.
Nella rappresentazione di Figura 3, l’ampiezza del segnale rilevato dal demodulatore connesso alla SC è stata digitalizzata attraverso un ADC a 10 bit e rappresentata in funzione della frequenza del segnale forzato dal DDS. Pertanto, il valore in ordinata è espresso in una scala da 0 a 2<10>-1 = 1023 ed è proporzionale alla tensione elettrica ai capi dell’ADC mediante il potenziale di riferimento dell’ADC, che nella fattispecie vale 1.1V. La presenza del riferimento è conseguenza del fatto che l’ADC adottato è di tipo SAR. In the representation of Figure 3, the amplitude of the signal detected by the demodulator connected to the SC has been digitized through a 10-bit ADC and represented as a function of the frequency of the signal forced by the DDS. Therefore, the ordinate value is expressed on a scale from 0 to 2 <10> -1 = 1023 and is proportional to the electrical voltage across the ADC by means of the reference potential of the ADC, which in this case is 1.1V. The presence of the reference is a consequence of the fact that the ADC adopted is of the SAR type.
Sulla base di questa normalizzazione, e in assenza di transponder, il lettore rileva un picco nello spettro dell'inviluppo, Venv(f), alla propria frequenza di risonanza naturale dovuta prevalentemente al valore dell’induttanza della bobina di probe e dell’impedenza esposta alla propria porta d’ingresso dal rilevatore d’inviluppo. On the basis of this normalization, and in the absence of transponders, the reader detects a peak in the envelope spectrum, Venv (f), at its natural resonance frequency mainly due to the value of the inductance of the probe coil and the exposed impedance to your front door from the envelope detector.
In fase di prototipazione del sistema dell’invenzione, per analizzare le letture ottenute attraverso il lettore così realizzato, si è costruito un transponder di prova, denominato nel seguito “dummy tag” per sottolineare che esso rappresenta un modello fittizio (ma congruente coi parametri elettrici tipici) del transponder reale. In the prototyping phase of the system of the invention, in order to analyze the readings obtained through the reader thus created, a test transponder was built, hereinafter referred to as a "dummy tag" to underline that it represents a fictitious model (but congruent with the electrical parameters typical) of the actual transponder.
In dettaglio, il dummy tag è un transponder (preferibilmente chipless) di riferimento costruito allo scopo di calibrare il reader così come definito nell’architettura sopra descritta (Fig. 1) e al contempo studiare la risposta in frequenza di sensori capacitivi quando connessi ad un’antenna di tipo noto. In detail, the dummy tag is a reference transponder (preferably chipless) built for the purpose of calibrating the reader as defined in the architecture described above (Fig. 1) and at the same time studying the frequency response of capacitive sensors when connected to a antenna of a known type.
Il dummy tag consiste di un’antenna realizzata su circuito stampato di spessore 12.5pm, dotata di pad tra i quali sono saldati due reofori per la connessione di un chip o di un carico reattivo. Scopo di questo connettore è consentire il collegamento di dispositivi di taratura o di sensori da testare. In particolare, ai morsetti del dummy tag sono connessi condensatori discreti, di capacità precedentemente misurata con strumentazione da laboratorio (analizzatori di impedenza). The dummy tag consists of an antenna made on a 12.5pm thick printed circuit, equipped with pads between which two leads are soldered for the connection of a chip or a reactive load. The purpose of this connector is to allow the connection of calibration devices or sensors to be tested. In particular, discrete capacitors are connected to the terminals of the dummy tag, with capacitance previously measured with laboratory instruments (impedance analyzers).
In Figura 4 è mostrata una forma di realizzazione preferita dell’architettura del dummy tag, mentre in Figura 9 è riportato in un grafico il confronto tra la frequenza di risonanza spontanea del reader e quella in presenza di dummy tag non collegato a carico capacitivo. Figure 4 shows a preferred embodiment of the dummy tag architecture, while Figure 9 shows a graph of the comparison between the spontaneous resonant frequency of the reader and that in the presence of dummy tags not connected to capacitive load.
Utilizzando il dummy tag in accoppiamento con i carichi capacitivi calibrati, sono state ricavate curve di calibrazione della frequenza del primo picco di risonanza in funzione della capacità del condensatore di carico, riportate a titolo esemplificativo nelle Figure 10A e 10B. Using the dummy tag coupled with the calibrated capacitive loads, calibration curves of the frequency of the first resonance peak as a function of the load capacitor capacity have been obtained, reported as an example in Figures 10A and 10B.
In base ai dati di figura 10A (simboli), è possibile esprimere la frequenza di risonanza secondo il modello già descritto nella Equazione 1 in cui si è posto CChip= 0F (Fig. 10B). In queste ipotesi, essendo lineare la relazione tra 1/ωΓ<2>e la capacità di carico Csensor(con ω,= 2π·ί) -che nei grafici è denominata C(F)~ dalla Figura 10B si nota che il modello è in buon accordo con i dati sperimentali quando si assumono: Lanf=6.17pFI, Ctuning= 8.27pF. On the basis of the data of figure 10A (symbols), it is possible to express the resonance frequency according to the model already described in Equation 1 in which CChip = 0F has been set (Fig. 10B). In these hypotheses, being linear the relationship between 1 / ωΓ <2> and the load capacity Csensor (with ω, = 2π · ί) - which in the graphs is called C (F) ~ from Figure 10B it can be seen that the model is in good agreement with the experimental data when assuming: Lanf = 6.17pFI, Ctuning = 8.27pF.
È da notare che, collegando uno o più condensatori ai capi dei reofori del dummy-tag, si realizza uno schema elettrico che circuitalmente riproduce il circuito del tag di Figura 2. la cui frequenza di risonanza è calcolata mediante l’Eq. 1. Resta da notare che pur non essendo fisicamente presente sul dummytag una capacità di tuning così come schematizzata in Fig. 2 e riportata dalla Eq. 1, è sempre riscontrabile un fattore capacitivo (che possiamo ancora chiamare capacità di tuning) a causa degli accoppiamenti parassiti tra le piste dell’antenna e il substrato. Il valore estratto per Lantdal modello LR-C può essere confrontato con quello misurato mediante un analizzatore d’impedenza alla frequenza di 10MHz (nel caso in oggetto, i limiti del sistema di caratterizzazione non consentono di andare oltre): Lant(misurata)= 7.27μΗ, Rant(misu rata)<=>3.3 Ω , validando l’approccio seguito. It should be noted that, by connecting one or more capacitors to the heads of the leads of the dummy-tag, an electrical diagram is created that circuitally reproduces the circuit of the tag in Figure 2. whose resonant frequency is calculated by means of Eq. 1. It remains to be noted that although a tuning capability as schematized in Fig. 2 and reported by Eq. Is not physically present on the dummytag. 1, there is always a capacitive factor (which we can still call tuning capacity) due to the parasitic couplings between the antenna tracks and the substrate. The value extracted for Lant from the LR-C model can be compared with that measured by an impedance analyzer at a frequency of 10MHz (in this case, the limits of the characterization system do not allow to go further): Lant (measured) = 7.27 μΗ, Rant (measured) <=> 3.3 Ω, validating the approach followed.
Successivamente alla verifica del sistema con condensatori commerciali, ne è stato effettuato il test. In dettaglio, nell’intento di validare il reader, si sono effettuate le prime prove sperimentali misurando il “dummy tag” al quale attraverso lo zoccolo a due reofori è stato collegato un sensore ospitato da un substrato (in allumina) a parte. After checking the system with commercial capacitors, it was tested. In detail, in order to validate the reader, the first experimental tests were carried out by measuring the "dummy tag" to which a sensor hosted by a separate (alumina) substrate was connected through the two-lead socket.
In particolare, è stato scelto un sensore capacitivo e sono state registrate le variazioni di firma RF in presenza di differenti concentrazioni di umidità. In particular, a capacitive sensor was chosen and RF signature variations were recorded in the presence of different moisture concentrations.
La scelta di un sensore capacitivo è attraente anche perché consente di ridurre la potenza attiva e quindi di progettare transponder energeticamente più efficienti, di rendere la rilevazione meno dipendente dalla distanza tra il sensore e il reader e più accurata poiché si basa sulla valutazione dello spostamento della frequenza di risonanza (si noti che la frequenza della portante è stabilita dal DDS con una precisione elevata - nel dimostratore: 1 Hz). The choice of a capacitive sensor is also attractive because it allows to reduce the active power and therefore to design energy-efficient transponders, to make the detection less dependent on the distance between the sensor and the reader and more accurate since it is based on the evaluation of the displacement of the resonant frequency (note that the carrier frequency is established by the DDS with a high accuracy - in the demonstrator: 1 Hz).
Inoltre, come già accennato, i sensori chimico-capacitivi si stanno dimostrando efficaci nel sensing di umidità ambientale, ma anche di solventi, composti volatili organici (VOC), materiali chimici tossici, prodotti per impiego bellico, esplosivi inquinanti (diossido di carbonio e ammoniaca), eco.. Furthermore, as already mentioned, the chemical-capacitive sensors are proving effective in sensing environmental humidity, but also in solvents, volatile organic compounds (VOC), toxic chemical materials, products for war use, polluting explosives (carbon dioxide and ammonia ), echo..
Si presenta a seguire un’analisi e una descrizione di una forma di realizzazione preferita dell’architettura del sensore da adottare. An analysis and description of a preferred embodiment of the sensor architecture to be adopted follows.
Secondo una forma di realizzazioni preferita della presente invenzione, il sensore a bordo del tag comprende un condensatore, il cui valore di capacità elettrica varia in ragione della concentrazione dell’analita (VOC, gas, eco.) a cui esso viene esposto. According to a preferred embodiment of the present invention, the sensor on board the tag comprises a capacitor, whose electrical capacity value varies according to the concentration of the analyte (VOC, gas, etc.) to which it is exposed.
Come è noto, la capacità elettrica di un condensatore è proporzionale alla permittività dielettrica del materiale isolante, in particolare ε = ε0<'>εηessendo ε0la costante dielettrica del vuoto e εΓla costante dielettrica relativa del materiale isolante. As is known, the electric capacity of a capacitor is proportional to the dielectric permittivity of the insulating material, in particular ε = ε0 <'> εη being ε0 the dielectric constant of the vacuum and εΓ the relative dielectric constant of the insulating material.
Pertanto, la variazione della capacità del condensatore a causa dell’esposizione ad un gas/vapore modifica la costante dielettrica relativa del materiale in funzione della percentuale di analita che penetra nel materiale isolante. Therefore, the variation in the capacitance of the capacitor due to exposure to a gas / vapor changes the relative dielectric constant of the material as a function of the percentage of analyte that penetrates the insulating material.
Alle frequenze di interesse, i valori di capacità da introdurre per l’accordatura della rete del tag sono nell’ordine dei pF (picoFarad). At the frequencies of interest, the capacitance values to be introduced for the tuning of the tag network are in the order of pF (picoFarad).
Questi valori sono particolarmente agevoli da ottenere anche senza fabbricare necessariamente condensatori a facce piane e parallele, ma ricorrendo preferibilmente ad una struttura interdigitata, la cui sezione trasversa è mostrata a titolo esemplificativo in Figura 5. These values are particularly easy to obtain even without necessarily manufacturing capacitors with flat and parallel faces, but preferably resorting to an interdigitated structure, the cross section of which is shown by way of example in Figure 5.
A causa di questi ed altri motivi (che saranno resi espliciti nel seguito), è preferibile una struttura IDC (Inter-Digital Capacitor) che, a differenza di un condensatore a facce piane e parallele, presenta armature coplanari. Due to these and other reasons (which will be made explicit in the following), an IDC (Inter-Digital Capacitor) structure is preferable which, unlike a flat and parallel face capacitor, has coplanar plates.
Vantaggiosamente, questa tipologia di condensatori si può realizzare in due soli passi di processo (deposizione armature sul substrato e deposizione isolante). Advantageously, this type of capacitor can be realized in only two process steps (armature deposition on the substrate and insulating deposition).
Inoltre, i condensatori a struttura interdigitata presentano il dielettrico con una faccia completamente esposta all’analita (poiché non oscurata dall’armatura stessa), e sullo stesso dielettrico è possibile evitare processi di curing, che sono invece consigliabili in strutture ad armature sorapposte. Il tipo di geometria impiegata è idonea ad ottenere valori di capacità nell’ordine dei pF così come richiesto per la specifica applicazione realizzata. In addition, the capacitors with interdigitated structure have the dielectric with a face completely exposed to the analyte (since it is not obscured by the armature itself), and on the same dielectric it is possible to avoid curing processes, which are instead recommended in overlapping armor structures. The type of geometry used is suitable for obtaining capacity values in the order of pF as required for the specific application created.
In particolare, quest’ultima soluzione è reputata preferibile poiché i condensatori interdigitati (Inter Digitated Capacitors - IDC) presentano: In particular, the latter solution is considered preferable since the interdigitated capacitors (Inter Digitated Capacitors - IDC) have:
- elevata superficie esposta all’analita: è noto infatti che la sensibilità e il limite inferiore di rilevamento di un trasduttore di questo tipo dipendono dalla superficie che partecipa all’interazione con l’ambiente, e che quindi il rapporto superficie-volume risulta essere un fattore determinante; - high surface exposed to the analyte: it is known that the sensitivity and the lower detection limit of a transducer of this type depend on the surface that participates in the interaction with the environment, and that therefore the surface-volume ratio is a determining factor;
- complessità realizzativa ridotta: questo tipo di architettura può essere fabbricata depositando contemporaneamente le due armature del condensatore sul substrato (qualora si proceda per serigrafia o deposizione da fase vapore o altra tecnica additiva) o effettuando il patterning del layout delle armature partendo da uno strato conduttivo uniforme mediante tecnica sottrattiva (fotolitografia, ecc.); e - reduced construction complexity: this type of architecture can be manufactured by simultaneously depositing the two capacitor plates on the substrate (if proceeding by screen printing or vapor phase deposition or other additive technique) or by patterning the layout of the plates starting from a conductive layer uniform by subtractive technique (photolithography, etc.); And
- maggiore immunità ai difetti, poiché il dielettrico viene applicato dopo aver realizzato le armature, pertanto è più semplice ottenere condensatori privi di pinhole, più semplici da verificare e più affidabili. - greater immunity to defects, since the dielectric is applied after making the armatures, therefore it is easier to obtain capacitors without pinhole, easier to verify and more reliable.
La struttura di IDC (“Inter-Digitated Capacitar” o “Condensatore interdigitato”) impiegata nel prototipo in oggetto è costituita da un substrato di allumina con due contatti in oro serigrafati, avente la geometria illustrata in Figura 6 e 6A, di cui si riportano in Tabella 1 dei parametri geometrici preferiti. The structure of IDC ("Inter-Digitated Capacitar" or "Inter-Digitized Capacitor") used in the prototype in question is made up of an alumina substrate with two silk-screened gold contacts, having the geometry shown in Figure 6 and 6A, which are reported in Table 1 of the preferred geometric parameters.
Tabella 1 Table 1
Larghezza finger (Au) 400 pm Finger width (Au) 400 pm
Distanza tra i finger (Gap) 300 pm Distance between fingers (Gap) 300 pm
Lunghezza area affacciata finger 4200 pm Length of the area facing finger 4200 pm
Lunghezza finger 5600 pm Finger length 5600 pm
Spessore oro 80 pm Gold thickness 80 pm
Larghezza piste 1000 pm Runway width 1000 pm
Numero di finger 10 Number of fingers 10
Per quanto riguarda la capacità elettrica, nelle ipotesi di un film dielettrico omogeneo e isotropo, questa può essere calcolata sommando il contributo delle “celle” che compongono l’interdigitato, secondo calcoli noti. As for the electrical capacity, in the hypothesis of a homogeneous and isotropic dielectric film, this can be calculated by adding the contribution of the "cells" that make up the interdigitated, according to known calculations.
Che la capacità elettrica di questo dispositivo sia compatibile con l'applicazione ipotizzata può essere dedotto dai modelli sviluppati per gli IDC. In dettaglio, la capacità elettrica del dispositivo di Fig. 6A può essere espressa dalle relazioni: That the electrical capacity of this device is compatible with the hypothesized application can be deduced from the models developed for the IDCs. In detail, the electrical capacity of the device of Fig.6A can be expressed by the relations:
CT0TALE= CCeua(N — 1) L (Eq. 3) K(jl-(a/b)<2>^ CT0TALE = CCeua (N - 1) L (Eq. 3) K (jl- (a / b) <2> ^
Cella C^r<Z>k) (Eq. 4) Cell C ^ r <Z> k) (Eq. 4)
K(a/b) K (a / b)
Questa relazione esprime la capacità totale CTOTALEdi un condensatore interdigitato avente N dita o finger di lunghezza L disposti secondo la geometria di Fig. 6a in funzione della capacità della cella unitaria Cce//adell’IDC. This relationship expresses the total CTOTAL capacity of an interdigitated capacitor having N fingers or fingers of length L arranged according to the geometry of Fig. 6a as a function of the capacity of the unit cell Cce // adell IDC.
La cella unitaria dell’IDC è un elemento dell’architettura ripetuto con uniforme passo di periodicità spaziale b che contiene due finger di spessore t che distano tra loro di una lunghezza a. Nell’Equazione 4, ε0è la costante dielettrica del vuoto, εΓla costante dielettrica relativa del substrato, la costante dielettrica relativa del dielettrico e K l’integrale ellittico completo della prima specie. The unit cell of the IDC is an architectural element repeated with a uniform step of spatial periodicity b that contains two fingers of thickness t that are distant from each other by a length a. In Equation 4, ε0 is the dielectric constant of the vacuum, εΓ the relative dielectric constant of the substrate, the relative dielectric constant of the dielectric and K the complete elliptic integral of the first kind.
Ne consegue che la capacità del sensore varia proporzionalmente alla variazione della costante dielettrica relativa media del dielettrico sensibile. Nell’approssimazione di Maxwell Gameti, la costante dielettrica media dipende dalla frazione volumetrica dell’analita assorbito dallo strato di dielettrico sensibile. Pertanto, è possibile fare una stima preventiva della variazione della frequenza del picco di risonanza di un tag in funzione della concentrazione volumetrica dell’analita o una analisi a posteriori dei dati relativi alla frequenza di risonanza. It follows that the capacitance of the sensor varies proportionally to the variation of the average relative dielectric constant of the sensitive dielectric. In the Maxwell Gameti approximation, the average dielectric constant depends on the volumetric fraction of the analyte absorbed by the sensitive dielectric layer. Therefore, it is possible to make a preventive estimate of the variation in the frequency of the resonance peak of a tag as a function of the volumetric concentration of the analyte or an a posteriori analysis of the data relating to the resonance frequency.
Sulla base dei modelli per la capacità del sensore e per la costante dielettrica media (Maxwell Gameti) è possibile stimare quale sarà la risposta del dummy tag (vedi grafici di Fig. 10C e 10D) in funzione della concentrazione volumetrica dell’analita nel film sensibile. On the basis of the models for the sensor capacitance and for the average dielectric constant (Maxwell Gameti) it is possible to estimate what the response of the dummy tag will be (see graphs of Fig.10C and 10D) as a function of the volumetric concentration of the analyte in the sensitive film .
I grafici delle Figure 10C e 10 mostrano una simulazione della risposta del dummy tag alla variazione della frazione volumetrica di analita nel film sensibile. N particolare, la Figura 10C mostra la relazione tra la frequenza di risonanza del transponder e la costante dielettrica equivalente del film sensibile (risulta dalla variazione di costante dielettrica del film in combinazione con la costante dielettrica dell’analita), e la Figura 10D mostra la relazione tra la frequenza di risonanza del transponder e la frazione volumetrica dell’analita nel film sensibile prevista attraverso la relazione di Maxwell Garnett. The graphs of Figures 10C and 10 show a simulation of the response of the dummy tag to the variation of the volumetric fraction of analyte in the sensitive film. In particular, Figure 10C shows the relationship between the resonant frequency of the transponder and the equivalent dielectric constant of the sensitive film (resulting from the variation of the dielectric constant of the film in combination with the dielectric constant of the analyte), and Figure 10D shows the relationship between the resonance frequency of the transponder and the volumetric fraction of the analyte in the sensitive film predicted through the Maxwell Garnett relationship.
Le simulazioni considerate sono state ottenute ipotizzando il substrato in allumina ( εΓ(Αΐ2θ3)= 9.19), l’induttanza L del dummy tag pari al valore misurato L=6.17pH, la capacità totale del dummy tag pari a Co=8.27pF, la costante dielettrica dell’analita pari a quella dell’acqua ( εΓ(Η2ο, 25°c;=78), la costante dielettrica del film sensibile pari a quella del PVA e l’architettura dei contatti uguale a quella mostrata in Fig. 6A. The simulations considered were obtained assuming the alumina substrate (εΓ (Αΐ2θ3) = 9.19), the inductance L of the dummy tag equal to the measured value L = 6.17pH, the total capacity of the dummy tag equal to Co = 8.27pF, the dielectric constant of the analyte equal to that of water (εΓ (Η2ο, 25 ° c; = 78), the dielectric constant of the sensitive film equal to that of the PVA and the architecture of the contacts equal to that shown in Fig. 6A.
Questa approssimazione, sia pure con tutti i limiti imposti dalle semplificazioni eseguite, mostra che è possibile ottenere variazioni di frequenza di risonanza anche di 1MHz in corrispondenza delle condizioni operative descritte e che la massima sensibilità è ottenuta per piccoli valori di frazione volumetrica di analita. This approximation, albeit with all the limits imposed by the simplifications performed, shows that it is possible to obtain variations in resonance frequency even of 1MHz in correspondence with the operating conditions described and that the maximum sensitivity is obtained for small values of analyte volume fraction.
Verrà ora descritta in maggiore dettaglio una forma di realizzazione preferita dell’architettura del sensore impiegato nel prototipo del sistema secondo la presente invenzione. A preferred embodiment of the sensor architecture used in the prototype of the system according to the present invention will now be described in greater detail.
Un sensore capacitivo in grado di rilevare l’umidità dell’aria è stato prodotto per drop-casting di una soluzione di un polimero igroscopico depositata su una struttura di contatti di oro interdigitati. Il polimero prescelto come materiale sensibile è il poli(vinil alcool) (PVA), un materiale di basso costo, facilmente lavorabile da soluzione. Il PVA è caratterizzato da un’alta affinità con l’acqua grazie all’alto numero di gruppi ossidrilici presenti nella sua struttura, che lo rendono in grado di assorbire molecole di acqua e formare legami ad idrogeno con essa. Ciò produce un cambiamento della costante dielettrica dei film sensibili, anche tenendo conto della differenza tra le due costanti dielettriche relative (2.5 per il PVA e 80 per l’acqua quando misurate a 20°C e a 1kHz). Diversi studi hanno messo in luce la possibilità di impiegare questo polimero in applicazioni sensoristiche per la rilevazione deN’umidità in un ampio intervallo di frequenze (0.2-20 GHz). A capacitive sensor capable of detecting air humidity was produced by drop-casting a solution of a hygroscopic polymer deposited on a structure of interdigitated gold contacts. The polymer chosen as sensitive material is poly (vinyl alcohol) (PVA), a low cost material, easily workable from solution. PVA is characterized by a high affinity with water thanks to the high number of hydroxyl groups present in its structure, which make it able to absorb water molecules and form hydrogen bonds with it. This produces a change in the dielectric constant of the sensitive films, even taking into account the difference between the two relative dielectric constants (2.5 for PVA and 80 for water when measured at 20 ° C and at 1kHz). Several studies have highlighted the possibility of using this polymer in sensor applications for the detection of humidity in a wide range of frequencies (0.2-20 GHz).
Il sensore è stato realizzato a partire da una soluzione acquosa di PVA preparata sciogliendo a caldo il PVA (massa molecolare media pesata Mw= 67000g/mol) in acqua deionizzata in concentrazione 100mg/mL. La massa molecolare e la concentrazione del polimero sono state definite in modo da rendere la soluzione anche idonea a potenziali processi di stampa mediante tecnologia ink-jet printing che necessitano di specifiche proprietà chimico-fisiche degli inchiostri da dispensare e che potrebbero risultare di interesse per una eventuale industrializzazione del prototipo di sensore. La scelta di questo materiale è indicata per rilevare variazioni di umidità, essendo noto che l’acqua è un solvente per il PVA e che, a causa della differenza tra le due costanti dielettriche relative, si prevede un aumento della capacità del sensore al crescere del valore di RH%. The sensor was made starting from an aqueous solution of PVA prepared by hot melting the PVA (weighted average molecular mass Mw = 67000g / mol) in deionized water in a concentration of 100mg / mL. The molecular mass and the concentration of the polymer have been defined in order to make the solution also suitable for potential printing processes using ink-jet printing technology which require specific chemical-physical properties of the inks to be dispensed and which could be of interest for a possible industrialization of the sensor prototype. The choice of this material is indicated for detecting variations in humidity, since it is known that water is a solvent for PVA and that, due to the difference between the two relative dielectric constants, an increase in the sensor capacity is expected as the RH% value.
Si descriverà ora in maggiore dettaglio una forma di realizzazione preferita dell’architettura fisica del dispositivo di misura (reader). A preferred embodiment of the physical architecture of the measurement device (reader) will now be described in greater detail.
La parte elettrica del reader consiste della board del microcontrollore (che integra l’ADC, il riferimento di tensione per il convertitore e l'interfaccia USB) connessa alla board del DDS e infine da un circuito stampato contenente il demodulatore di ampiezza, come schematizzato in Figura 2. The electrical part of the reader consists of the microcontroller board (which integrates the ADC, the voltage reference for the converter and the USB interface) connected to the DDS board and finally by a printed circuit containing the amplitude demodulator, as schematized in Figure 2.
In Figura 7 è mostrato in dettaglio la sede o supporto 14 per le bobine del reader. Figure 7 shows in detail the seat or support 14 for the reader coils.
Le bobine di sensing e di probing sono avvolte sul supporto 14, progettato per minimizzare la distanza tra l'interfaccia del reader e il transponder. The sensing and probing coils are wound on the support 14, designed to minimize the distance between the interface of the reader and the transponder.
In particolare, il transponder (nel prototipo ipotizzato in forma di card con geometria ISO/IEC 7810 ID-1) è appoggiato sul supporto 14 in corrispondenza della sede del transponder 15, che nella fattispecie presenta come dimensioni preferite 85,60 mm x 53,98 mm ma potrebbe naturalmente avere dimensioni arbitrarie. Allineate alla sede del transponder 15, sono presenti la PC e la SC nelle relative sedi 16, 17, avvolte su di un nucleo di materiale plastico di cui è fatto il supporto 14. In particular, the transponder (in the prototype assumed in the form of a card with ISO / IEC 7810 ID-1 geometry) is placed on the support 14 at the location of the transponder 15, which in this case has the preferred dimensions 85.60 mm x 53, 98 mm but could of course have arbitrary dimensions. Aligned with the seat of the transponder 15, the PC and the SC are present in the relative seats 16, 17, wound on a core of plastic material of which the support 14 is made.
I conduttori (“trefoli”) isolati che costituiscono le bobine sono condotti nella zona esterna alle spalle del supporto attraverso le scanalature 18. Le sedi delle bobine sono visibili meglio nella vista in sezione del supporto mostrata in Figura 8. The insulated conductors (“strands”) that make up the coils are conducted in the external area behind the support through the grooves 18. The seats of the coils are better visible in the section view of the support shown in Figure 8.
Sempre con riferimento alla Figura 8, la parte rettangolare tratteggiata inclusa nella sede del transponder 15 è il nucleo degli avvolgimenti PC e SC. Again with reference to Figure 8, the dashed rectangular part included in the seat of the transponder 15 is the core of the windings PC and SC.
Si descriverà ora in maggiore dettaglio una forma di realizzazione preferita dell’architettura software che governa l’unità di controllo e elaborazione del dispositivo lettore, chiamata a seguire per semplicità microcontrollore. We will now describe in greater detail a preferred embodiment of the software architecture that governs the control and processing unit of the reader device, referred to below for simplicity as a microcontroller.
Il firmware del microcontrollore del reader gestisce le operazioni di acquisizione dall’ADC e il protocollo di comunicazione verso il computer. The firmware of the reader microcontroller manages the acquisition operations from the ADC and the communication protocol to the computer.
Tralasciando le funzioni accessorie, esso opera ripetendo in ciclo sostanzialmente le seguenti operazioni: Leaving aside the accessory functions, it operates by essentially repeating the following operations in a cycle:
- attendere un comando dall’interfaccia seriale; - wait for a command from the serial interface;
- se arriva un comando di acquisizione (singola, multipla, in log), impostare l’oscillatore (DDS) alla frequenza FSTART; - if an acquisition command arrives (single, multiple, in log), set the oscillator (DDS) to the FSTART frequency;
- inviare sulla interfaccia seriale la riga: “>start”: - send on the serial interface the line: "> start":
1. leggere dall’ADC il valore dell’inviluppo segnale sulla PC; 1. read the signal envelope value on the PC from the ADC;
2. inviare sul canale seriale una riga contenete il valore della frequenza impostata (long) seguito dal carattere «tab» e dal valore letto dall’ADC (intero a 10bit); 2. send a line on the serial channel containing the value of the set frequency (long) followed by the "tab" character and the value read by the ADC (10bit integer);
3. incrementare la frequenza «f» del DDS del valore FSTEP; 3. increase the frequency «f» of the DDS by the FSTEP value;
4. se f <= FSTOP tornare al passo 1 ; 4. if f <= FSTOP go back to step 1;
- inviare sulla seriale la riga: “>stop”. - send on the serial line the line: “> stop”.
Attraverso opportuni comandi di configurazione, possono essere impostate la frequenza di partenza (limite inferiore) per l’acquisizione dello spettro (FSTART), il limite superiore in frequenza della scansione (FSTOP), il passo di acquisizione in frequenza (FSTEP), il tempo di attesa tra una acquisizione e l’altra e il numero di riletture del campione dall’ADC (le riletture vengono mediate via software per fornire con un valore più accurato per il segnale di inviluppo Venv). Through appropriate configuration commands, it is possible to set the starting frequency (lower limit) for the acquisition of the spectrum (FSTART), the upper limit in frequency of the scan (FSTOP), the frequency acquisition step (FSTEP), the time of wait between one acquisition and the next and the number of rereadings of the sample from the ADC (the rereadings are averaged via software to provide a more accurate value for the Venv envelope signal).
A corredo del reader, una opportuna interfaccia software per computer è stata implementata al fine di acquisire i dati attraverso interfaccia seriale dal reader e variare i limiti della misura (numero di riletture, risoluzione in frequenza, intervallo di misura ecc.). Along with the reader, an appropriate computer software interface has been implemented in order to acquire the data through the serial interface from the reader and vary the measurement limits (number of readings, frequency resolution, measurement interval, etc.).
In Figura 11 si riporta un’architettura preferita esemplificativa del programma di gestione del reader. Figure 11 shows a preferred example architecture of the reader management program.
Il software, scritto in particolare in linguaggio Java™, è una applicazione desktop. Esso apre in lettura una porta seriale del computer (tipicamente emulata da una porta USB) e attende l’arrivo dei dati dalla scheda del microcontrollore. Ogni arrivo di uno o più byte genera un evento che provoca la scrittura dei dati relativi in un buffer. Quando nel flusso di dati viene incontrato il carattere di a capo (“\n”), una riga è pronta. In questo caso, il buffer viene trasferito a un parser e quindi svuotato. Il parser estrae i dati, li elabora calcolando Venv in base ai dati di taratura, formatta opportunamente la riga da persistere in un file di log e notifica a un componente software denominato logger, che provvederà quindi a scrivere un file ASCII locale. Ogni volta che arriva un dato valido (ovvero “ben formattato”), i grafici delle misure sono aggiornati così come le relative scale fornendo all’utente una visione in tempo reale di quanto sta accadendo al sensore. A titolo esemplificativo, si riporta una schermata del software di acquisizione in Figura 12. The software, written specifically in Java ™ language, is a desktop application. It opens a computer serial port for reading (typically emulated by a USB port) and waits for data to arrive from the microcontroller board. Each arrival of one or more bytes generates an event that causes the related data to be written to a buffer. When the carriage return character (“\ n”) is encountered in the data stream, a line is ready. In this case, the buffer is passed to a parser and then emptied. The parser extracts the data, processes them by calculating Venv based on the calibration data, appropriately formats the line to persist in a log file and notifies a software component called logger, which will then write a local ASCII file. Each time valid data arrives (ie "well formatted"), the measurement graphs are updated as well as the relative scales, providing the user with a real-time view of what is happening to the sensor. By way of example, a screenshot of the acquisition software is shown in Figure 12.
Nella versione attuale, il programma consente di acquisire e confrontare le firme dei tag sia in un diagramma modulo/frequenza sia in una “colormap” (schermata di destra in Figura 12) che risulta più utile per i confronti tra i dati di acquisizioni ripetute nel tempo. Il sistema può lavorare eseguendo acquisizioni one-shot (singole - mediante il pulsante “Get Data”), ripetute (10 volte -pulsante “Get Sequence”) o in continua (pulsante “Log”). In the current version, the program allows you to acquire and compare tag signatures both in a modulus / frequency diagram and in a "colormap" (right screen in Figure 12) which is more useful for comparing data from repeated acquisitions in the time. The system can work by performing one-shot acquisitions (single - using the "Get Data" button), repeated (10 times - "Get Sequence" button) or continuous ("Log" button).
Dall'interfaccia utente si possono preferibilmente modificare: il passo della scansione in frequenza (“fstep” - in Hz), il ritardo di acquisizione tra un campione e l’altro (delay - in ms), il numero di riletture del singolo bin (rereads), inoltre è possibile limitare l'intervallo di acquisizione (“set limits”), consentendo di ridurre i tempi di acquisizione. From the user interface you can preferably modify: the step of the frequency scan ("fstep" - in Hz), the acquisition delay between one sample and another (delay - in ms), the number of re-readings of the single bin ( rereads), it is also possible to limit the acquisition interval (“set limits”), allowing to reduce acquisition times.
In sostanza, è stato realizzato un sistema di acquisizione dati di transponder con sensore a bordo basato sulla variazione della frequenza di risonanza. Il sistema è stato calibrato mediante un artefatto (“dummy tag”) utile anche per la caratterizzazione a distanza di sensori IDC. Infine, il sistema è stato adattato fisicamente alle caratteristiche di una camera climatica di test e verificato con un sensore IDC polimerico confrontando la curva ingresso-uscita con quella estratta adoperando strumentazione standard da laboratorio per la caratterizzazione di tag RFID. Basically, a transponder data acquisition system with on-board sensor based on the variation of the resonance frequency was created. The system was calibrated using an artifact ("dummy tag") also useful for the remote characterization of IDC sensors. Finally, the system was physically adapted to the characteristics of a climatic test chamber and verified with a polymeric IDC sensor by comparing the input-output curve with the one extracted using standard laboratory instrumentation for the characterization of RFID tags.
Per completezza, verrà descritto a seguire un protocollo di sperimentazione del prototipo del sistema dell'invenzione. For the sake of completeness, an experimentation protocol of the prototype of the system of the invention will be described below.
II reader è stato sperimentato realizzando una camera climatica di test in sovrapressione. La camera di test è realizzata utilizzando la superficie superiore del reader, racchiudendo il transponder all'interno di un ambiente in sovrapressione in cui sono addotti ed estratti i flussi di gas contenenti l’analita. Questa condizione è realizzata unicamente a fini di test e validazione del sistema. The reader was experimented by creating an overpressure climatic test chamber. The test chamber is made using the upper surface of the reader, enclosing the transponder within an overpressure environment in which the gas streams containing the analyte are adducted and extracted. This condition is implemented solely for system testing and validation purposes.
In particolare, la camera climatica di test reca come pareti il supporto per i tag del reader, un tappo in plexiglass e un adattatore forato. Il tutto è tenuto insieme da quattro viti e le zone interstiziali sono sigillate. L’adattatore, che si incastra al reader in corrispondenza del supporto degli avvolgimenti mostrato in Figura 7, è raffigurato in Figura 8. Nella Figura 8 sono visibili il vano della camera di test e i fori filettati impiegati per fissare il coperchio della camera stessa. In particular, the climatic test chamber has as walls the holder for the reader tags, a plexiglass cap and a perforated adapter. The whole is held together by four screws and the interstitial areas are sealed. The adapter, which fits onto the reader at the winding support shown in Figure 7, is depicted in Figure 8. Figure 8 shows the test chamber compartment and the threaded holes used to fix the chamber lid.
In questo modo, si opera interfacciando direttamente l'ambiente che contiene il dummy tag con un generatore di aria umida a percentuale di umidità controllata. Il discorso non perde di generalità se in camera di test si introduce un gas portante in cui è disciolto un analita che non sia acqua. In this way, the environment that contains the dummy tag is directly interfaced with a humid air generator with a controlled humidity percentage. The discussion does not lose generality if a carrier gas is introduced into the test chamber in which an analyte other than water is dissolved.
Le Figure 13 e 14 mostrano l’attrezzatura adottata per testare il prototipo del sistema dell’invenzione in condizioni climatiche simulate del sistema di acquisizione interfacciato con dummy tag. Figures 13 and 14 show the equipment adopted to test the prototype of the invention system in simulated climatic conditions of the acquisition system interfaced with dummy tags.
La camera di test 20 è montata sul reader. Il coperchio trasparente 18 è fissato all’adattatore attraverso le viti di fissaggio 26 inserite nei fori 19. All’interno della camera di test 20 è presente un connettore USB 27 e l’atmosfera è condizionata apportando mediante il tubo di immissione 21 in maniera continua gas portante a cui è miscelato l’analita. The test chamber 20 is mounted on the reader. The transparent cover 18 is fixed to the adapter by means of the fixing screws 26 inserted in the holes 19. Inside the test chamber 20 there is a USB connector 27 and the atmosphere is conditioned by continuously supplying through the inlet pipe 21 carrier gas to which the analyte is mixed.
La pressione interna alla camera 20 è superiore a quella atmosferica, pertanto l’atmosfera al suo interno può dirsi univocamente determinata dalla composizione del gas immesso. L’analita, in fase vapore, modifica l’impedenza elettrica del sensore capacitivo IDC 22 collegato all’antenna del dummy tag 23 per mezzo di due reofori o connettori elettrici 24. Il gas eccedente è rimosso dalla camera mediante il tubo di scarico 25 che fuoriesce dal coperchio trasparente. The pressure inside the chamber 20 is higher than the atmospheric one, therefore the atmosphere inside it can be said to be uniquely determined by the composition of the gas introduced. The analyte, in the vapor phase, modifies the electrical impedance of the capacitive IDC sensor 22 connected to the antenna of the dummy tag 23 by means of two leads or electrical connectors 24. The excess gas is removed from the chamber by means of the exhaust pipe 25 which comes out of the transparent cover.
La geometria della camera di test 20 è meglio visibile dalla rappresentazione schematica costruttiva di Figura 15. The geometry of the test chamber 20 is better visible from the constructive schematic representation of Figure 15.
Nella Proof of Concepì (POC) eseguita e qui descritta, la camera di test è stata collegata ad un generatore di aria umida al fine di validare il sistema attraverso un sensore di umidità. In the Proof of Concepì (POC) performed and described here, the test chamber was connected to a humid air generator in order to validate the system through a humidity sensor.
In condizioni di test, il generatore di aria umida ha operato nella seguenti condizioni: umidità fornita da bubbolatore, Tgas= 25°C; flusso di gas in camera: 497cc/min; gas portante: azoto. Under test conditions, the humid air generator operated in the following conditions: humidity supplied by the bubbler, Tgas = 25 ° C; gas flow in the chamber: 497cc / min; carrier gas: nitrogen.
Come primo esperimento, si sono analizzate le risposte della firma RF dell’inviluppo alle transizioni aria secca / aria umida e aria umida / aria secca acquisite mediante il reader, mostrate rispettivamente nei grafici di Figura 16A e 16B, con riferimento ad un sensore PVA. Tali grafici riportano l’evoluzione in transitorio della porzione di spettro dell’inviluppo del segnale partendo dallo stato di massima umidità del gas portante a quella di regime “secco”. As a first experiment, the responses of the RF signature of the envelope to the dry air / humid air and humid air / dry air transitions acquired by the reader were analyzed, shown respectively in the graphs of Figures 16A and 16B, with reference to a PVA sensor. These graphs report the transient evolution of the spectrum portion of the signal envelope starting from the state of maximum humidity of the carrier gas to that of the "dry" regime.
L’acquisizione è stata realizzata effettuando dapprima una scansione da 1MHz a 30MHz a passi di 5KHz, poi restringendo l’intervallo di analisi ad un conveniente intorno del picco risonante in modo da ridurre i tempi di acquisizione. Il passo di scansione è stato ridotto portandolo quindi a 1KHz per ottenere una maggiore risoluzione in frequenza. The acquisition was achieved by first scanning from 1MHz to 30MHz in 5KHz steps, then restricting the analysis range to a convenient around the resonant peak in order to reduce acquisition times. The scanning step has been reduced to 1KHz to obtain a higher frequency resolution.
Si può osservare che all’aumento dell’umidità relativa dal 6% (condizione di secco) al 62% (massima umidità possibile in queste condizioni di misura) corrisponde una variazione reversibile della frequenza di risonanza di circa 120KHz, che secondo il modello sviluppato per il dummy-tag in fase di calibrazione equivalgono a uno spostamento di capacità da 7.1pF a 6.9pF. It can be observed that the increase in relative humidity from 6% (dry condition) to 62% (maximum humidity possible in these measurement conditions) corresponds to a reversible variation of the resonance frequency of about 120KHz, which according to the model developed for the dummy-tag being calibrated is equivalent to a shift in capacitance from 7.1pF to 6.9pF.
E’ quindi fondamentale ridurre la capacità intrinseca del transponder al fine di accedere alla zona della risposta frazione volumetrica/frequenza di risonanza con pendenza più elevata. It is therefore essential to reduce the intrinsic capacity of the transponder in order to access the area of the volumetric fraction / resonance frequency response with a higher slope.
La risposta del sistema è stata verificata su un secondo sensore a diversi valori di umidità relativa dopo che lo stato stazionario è stato raggiunto alla temperatura prefissata di 30°C. The response of the system was checked on a second sensor at different relative humidity values after the steady state was reached at the set temperature of 30 ° C.
Dagli spettri dell'inviluppo riportati in Figura 17, si osserva che il sistema TAG+reader esibisce due picchi di risonanza, un picco primario alla frequenza di 16.5MHz ed uno secondario a 25.85MHz. From the envelope spectra shown in Figure 17, it is observed that the TAG + reader system exhibits two resonance peaks, a primary peak at 16.5MHz and a secondary peak at 25.85MHz.
La frequenza del picco primario diminuisce al crescere della concentrazione di umidità così come atteso. The frequency of the primary peak decreases as the moisture concentration increases as expected.
In particolare, in Figura 17 è mostrato un grafico della risposta del sensore PVA2 al variare del livello di umidità relativa. In particular, Figure 17 shows a graph of the response of the PVA2 sensor to the variation of the relative humidity level.
Per validare il sistema, come termine di confronto, si è acquisito lo spettro di impedenza del dummy-tag attraverso un VNA Keysight 5061 B accoppiato al dummy tag attraverso un’antenna standard wire-loop, ottenendo le variazioni mostrate nei grafici delle Figure 18A e 18B, essendo Z(jai)=R(ai)+jX(ai). To validate the system, as a term of comparison, the impedance spectrum of the dummy-tag was acquired through a Keysight 5061 B VNA coupled to the dummy tag through a standard wire-loop antenna, obtaining the variations shown in the graphs of Figures 18A and 18B, being Z (jai) = R (ai) + jX (ai).
In particolare, le Figure 18A e 18B mostrano gli spettri di ammettenza del dummy-tag acquisiti mediante il VNA in accoppiamento ad una antenna standard wire-loop. In particular, Figures 18A and 18B show the admittance spectra of the dummy-tag acquired by means of the VNA in coupling to a standard wire-loop antenna.
La Figura 19 mostra un confronto tra la frequenza di risonanza del sistema dummytag+wire-loop+cavi+VNA (·) con il sistema dummytag+reader (■). Figure 19 shows a comparison between the resonant frequency of the dummytag + wire-loop + cables + VNA (·) system with the dummytag + reader (■) system.
Graficando l’andamento della frequenza di risonanza acquisito alle diverse RH% e confrontando i valori ottenuti dal reader con quelli misurati col VNA, si ottengono variazioni concordi per le curve di risposta, come mostrato in Figura 19. By graphing the trend of the resonant frequency acquired at the different RH% and comparing the values obtained by the reader with those measured with the VNA, concordant variations are obtained for the response curves, as shown in Figure 19.
La differenza nel valore assoluto della frequenza del picco di risonanza rilevata tra i due apparati mostra che il reader introduce una componente reattiva nella misura che abbassa la frequenza di risonanza acquisita con questo metodo. Questo è dovuto al fatto che l’antenna di pick-up (PC) ha una maggiore componente induttiva rispetto al wire-loop e al fatto che il demodulatore carica questa antenna con una capacità non trascurabile. Ciononostante, a parità di sensore, il sistema è in grado di apprezzare le variazioni della RH nel medesimo intervallo della strumentazione da laboratorio. The difference in the absolute value of the resonance peak frequency detected between the two devices shows that the reader introduces a reactive component in the measure that lowers the resonance frequency acquired with this method. This is due to the fact that the pick-up antenna (PC) has a greater inductive component than the wire-loop and to the fact that the demodulator loads this antenna with a non-negligible capacity. Nevertheless, with the same sensor, the system is able to appreciate the variations of the RH in the same range as the laboratory instrumentation.
Ancora, si mostra in Figura 20 un diagramma di flusso illustrativo delle diverse fasi di acquisizione ed elaborazione del segnale acquisito nella interazione reader / tag. Furthermore, Figure 20 shows a flow diagram illustrating the different acquisition and processing phases of the signal acquired in the reader / tag interaction.
La Tabella 2 a seguire riporta una spiegazione dei simboli impiegati in Figura 20 e nella presente trattazione. Table 2 below provides an explanation of the symbols used in Figure 20 and in this discussion.
Tabella 2. Table 2.
DAC Digital to Analog Converter - convertitore digitale-analogico. DAC Digital to Analog Converter - digital-to-analog converter.
DDS Direct Digital Synthesizer - sintetizzatore digitale di segnale a sintesi diretta. DDS Direct Digital Synthesizer - direct synthesizer digital signal synthesizer.
Probing Coil Antenna di alimentazione. Fornisce potenza elettrica al transponder mediante un accoppiamento induttivo in campo PC Probing Coil Power Antenna. It supplies electrical power to the transponder by means of an inductive coupling in the PC field
vicino. Neighbor.
Transponder Tag, trasmettitore-risponditore, il circuito che è oggetto dell’interrogazione da parte del reader. Transponder Tag, transmitter-responder, the circuit that is interrogated by the reader.
fdds Frequenza della sinusoide generata dal DDS. Viene impostata dal microcontrollore comunicandola al DDS in formato digitale. fdds Frequency of the sine wave generated by the DDS. It is set by the microcontroller communicating it to the DDS in digital format.
fstart L’intervallo spettrale da analizzare è (fstart, fstop), quindi fstartè l’estremo inferiore. fstart The spectral range to be analyzed is (fstart, fstop), therefore fstart is the lower extreme.
fstop Vedi fstart. fstop See fstart.
Sensing Coil Bobina di sensing. Intercetta il campo magnetico e le sue se variazioni nel percorso verso il transponder. Sensing Coil Sensing coil. It intercepts the magnetic field and its variations in the path to the transponder.
f.e.m. Forza ElettroMotrice indotta. f.e.m. Induced ElectroMotive Force.
Venv Ampiezza del segnale elettrico prelevato dalla probing coil. Venv Amplitude of the electrical signal taken from the probing coil.
Segnali di inviluppo (Envelope). Envelope signals.
ASK Amplitude Shift Keying, modulazione d’ampiezza. ASK Amplitude Shift Keying, amplitude modulation.
ADC Analog to Digital Converter, convertitore analogico-digitale. ADC Analog to Digital Converter, analog-digital converter.
PC Personal Computer, elaboratore elettronico. PC Personal Computer, electronic computer.
USB Universal Serial Bus. USB Universal Serial Bus.
Il flusso preferito di operazioni di acquisizione operate dal lettore è riportato nella sequenza seguente: The preferred flow of acquisition operations operated by the reader is shown in the following sequence:
1. impostare la frequenza del DDS al valore fstart(ovvero: fMs<- fstarì)] 1. set the DDS frequency to the fstart value (ie: fMs <- fstarì)]
2. trasmettere al transponder la sinusoide sintetizzata mediante la bobina di probing (“probing coir); 2. transmit the synthesized sinusoid to the transponder by means of the probing coil;
3. prelevare il segnale associato al campo magnetico concatenato sia all’antenna trasmittente (“probing coil”) sia al transponder da parte di una terza bobina (“sensing coil”) frapposta tra le prime due; 3. take the signal associated with the linked magnetic field both to the transmitting antenna ("probing coil") and to the transponder by a third coil ("sensing coil") placed between the first two;
4. demodulare il valore della f.e.m. ai capi della bobina di probing mediante un demodulatore di ampiezza al fine di estrarne il valore dell'inviluppo 4. demodulate the value of the f.e.m. at the ends of the probing coil by means of an amplitude demodulator in order to extract the envelope value
(Venv)] (Venv)]
5. digitalizzare la tensione in uscita Venv al demodulatore ASK attraverso un ADC e trasferirla al microcontrollore; 5. digitize the output voltage Venv to the ASK demodulator through an ADC and transfer it to the microcontroller;
6. inviare la coppia ( fdds, Venv) dal microcontrollore al PC; 6. send the pair (fdds, Venv) from the microcontroller to the PC;
7. aumentare al frequenza del DDS del passo fstep(cioè: fdds<- fdds+ fstep)<'>, e 7. increase to the frequency of the DDS by the step fstep (ie: fdds <- fdds + fstep) <'>, and
8. se fdds< fstop, ripetere le operazioni descritte partendo dal passo 2, altrimenti terminare le operazioni. 8. if fdds <fstop, repeat the operations described starting from step 2, otherwise finish the operations.
Per quanto riguarda la manifattura di transponder RFID, questo si presta ad una verifica in linea della conformità dei tag prodotti mediante sistema a basso costo / bassa complessità / basso ingombro / portatile. La verifica dei singoli pezzi ha una durata nell’ordine dei secondi e può essere interamente gestita da sistema automatico essendo il lettore basato su MCU programmabile e gestibile a distanza. As regards the manufacture of RFID transponders, this lends itself to an on-line verification of the conformity of the tags produced by means of a low cost / low complexity / low encumbrance / portable system. The verification of the individual pieces lasts in the order of seconds and can be entirely managed by an automatic system since the reader based on MCU can be programmed and managed remotely.
I settori di applicazione del dispositivo e del sistema proposti secondo la presente invenzione sono molteplici, quali: The sectors of application of the device and of the system proposed according to the present invention are many, such as:
- rilevazione di contaminanti tossici/pericolosi/esplosivi; - detection of toxic / dangerous / explosive contaminants;
- logistica; - logistics;
- tracciamento stateful delle merci impacchettate; - stateful tracking of packaged goods;
- anticontraffazione, anticontaminazione, antimanomissione; - anti-counterfeiting, anti-contamination, anti-tampering;
- sicurezza alimentare; - food safety;
- cibi sottovuoto o confezionati con packaging in atmosfera controllata; - vacuum-packed or packaged foods with controlled atmosphere packaging;
- controlli sulla catena del freddo; - controls on the cold chain;
- controllo di integrità dei package; e - package integrity check; And
- monitoraggio di materiali biologici in ambiente condizionato, substrati di coltura, incubatori, altre aree confinate quali aree ad alto rischio biologico, aree “sterili”, e aree con atmosfera condizionata (ossigeno / camere iperbariche, eco.). - monitoring of biological materials in a conditioned environment, culture substrates, incubators, other confined areas such as areas with high biological risk, "sterile" areas, and areas with conditioned atmosphere (oxygen / hyperbaric chambers, echo).
La presente invenzione è stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito daN’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate. The present invention has been described up to now with reference to preferred embodiments. It is to be understood that there may be other embodiments that refer to the same inventive core, as defined by the scope of the claims set out below.
Claims (21)
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